stringtranslate.com

Медленный свет

Медленный свет — это распространение оптического импульса или другой модуляции оптического носителя с очень низкой групповой скоростью . Медленный свет возникает, когда распространяющийся импульс существенно замедляется из-за взаимодействия со средой, в которой происходит распространение.

Групповые скорости ниже скорости света в вакууме c были известны еще в 1880 году, но не могли быть реализованы полезным образом до 1991 года, когда Стивен Харрис и его коллеги продемонстрировали электромагнитно-индуцированную прозрачность в захваченных атомах стронция. [1] [2] В 1995 году было сообщено о снижении скорости света в 165 раз. [3] В 1998 году датский физик Лене Вестергаард Хау возглавила объединенную группу из Гарвардского университета и Института науки Роуленда , которая реализовала гораздо более низкие групповые скорости света. Им удалось замедлить луч света примерно до 17 метров в секунду. [4] В 2004 году исследователи из Калифорнийского университета в Беркли впервые продемонстрировали медленный свет в полупроводнике с групповой скоростью 9,6 километра в секунду. [5] Позже Хау и ее коллеги преуспели в полной остановке света и разработали методы, с помощью которых его можно остановить, а затем снова запустить. [6] [7]

В 2005 году IBM создала микрочип , способный замедлять свет, изготовленный из довольно стандартных материалов, что потенциально прокладывает путь к его коммерческому внедрению. [8]

Фон

Когда свет распространяется через материал, он движется медленнее, чем скорость вакуума, c . Это изменение фазовой скорости света и проявляется в физических эффектах, таких как рефракция . Это уменьшение скорости количественно определяется соотношением c и фазовой скорости. Это соотношение называется показателем преломления материала. Медленный свет — это резкое уменьшение групповой скорости света, а не фазовой скорости. Эффекты медленного света не обусловлены аномально большими показателями преломления, как будет объяснено ниже.

Простейшая картина света , даваемая классической физикой, — это волна или возмущение в электромагнитном поле . В вакууме уравнения Максвелла предсказывают, что эти возмущения будут распространяться с определенной скоростью, обозначаемой символом c . Эта известная физическая константа обычно называется скоростью света . Постулат о постоянстве скорости света во всех инерциальных системах отсчета лежит в основе специальной теории относительности и породил популярное представление о том, что «скорость света всегда одинакова». Однако во многих ситуациях свет — это нечто большее, чем возмущение в электромагнитном поле.

Свет, распространяющийся в среде, является не просто возмущением электромагнитного поля, а скорее возмущением поля и положений и скоростей заряженных частиц ( электронов ) внутри материала. Движение электронов определяется полем (из-за силы Лоренца ), но поле определяется положениями и скоростями электронов (из-за закона Гаусса и закона Ампера ). Поведение возмущения этого объединенного поля плотности электромагнитного заряда (т. е. света) по-прежнему определяется уравнениями Максвелла, но решения сложны из-за тесной связи между средой и полем.

Понимание поведения света в материале упрощается, если ограничить типы изучаемых возмущений синусоидальными функциями времени. Для этих типов возмущений уравнения Максвелла преобразуются в алгебраические уравнения и легко решаются. Эти особые возмущения распространяются через материал со скоростью, меньшей, чем c, называемой фазовой скоростью . Отношение между c и фазовой скоростью называется показателем преломления или показателем преломления материала ( n ). Показатель преломления не является константой для данного материала, а зависит от температуры, давления и от частоты (синусоидальной) световой волны. Последнее приводит к эффекту, называемому дисперсией .

Человеческий глаз воспринимает интенсивность синусоидального возмущения как яркость света, а частоту как цвет . Если свет включается или выключается в определенное время или иным образом модулируется, то амплитуда синусоидального возмущения также зависит от времени. Изменяющаяся во времени амплитуда распространяется не с фазовой скоростью, а с групповой скоростью . Групповая скорость зависит не только от показателя преломления материала, но и от того, как показатель преломления изменяется с частотой (т. е. производной показателя преломления по частоте).

Медленный свет относится к очень низкой групповой скорости света. Если дисперсионное соотношение показателя преломления таково, что показатель быстро меняется в небольшом диапазоне частот, то групповая скорость может быть очень низкой, в тысячи или миллионы раз меньше c , даже если показатель преломления все еще является типичным значением (между 1,5 и 3,5 для стекол и полупроводников).

Подготовка

Существует много механизмов, которые могут генерировать медленный свет, все из которых создают узкие спектральные области с высокой дисперсией , т. е. пики в дисперсионном соотношении . Схемы обычно группируются в две категории: дисперсия материала и дисперсия волновода.

Дисперсия материала

Механизмы дисперсии материалов, такие как электромагнитно-индуцированная прозрачность (EIT), когерентные колебания популяций (CPO) и различные схемы четырехволнового смешения (FWM), производят быстрое изменение показателя преломления в зависимости от оптической частоты, т. е. они изменяют временную составляющую распространяющейся волны. Это делается с помощью нелинейного эффекта для изменения дипольного отклика среды на сигнал или «зондовое» поле. Механизмы дисперсии, такие как фотонные кристаллы на красных и синих краях, [9] связанные резонаторные оптические волноводы (CROW) и другие микрорезонаторные структуры [10] изменяют пространственную составляющую (k-вектор) распространяющейся волны.

Дисперсия волновода

Медленного света можно также добиться, используя дисперсионные свойства плоских волноводов, реализованных с помощью одиночных отрицательных метаматериалов (SNM) [11] [12] или двойных отрицательных метаматериалов (DNM). [13]

Преобладающим показателем качества [ необходимо разъяснение ] схем медленного света является произведение полосы пропускания на задержку (BDP). Большинство схем медленного света на самом деле могут предложить произвольно большую задержку для заданной длины устройства (длина/задержка = скорость сигнала) за счет полосы пропускания . Произведение этих двух величин примерно постоянно. Связанным показателем качества является дробная задержка , время задержки импульса, деленное на общее время импульса. Прозрачность, индуцированная плазмоном — аналог EIT — обеспечивает другой подход, основанный на деструктивной интерференции между различными резонансными модами. Недавняя работа продемонстрировала этот эффект в широком окне прозрачности в диапазоне частот более 0,40 ТГц. [14]

Потенциальные возможности использования

Замедление света имеет различные потенциальные практические применения в различных областях технологий: от широкополосного интернета до квантовых вычислений: [15]

В художественной литературе

Описание «люминита» в романе Мориса Ренара « Повелитель света » (1933) может быть одним из самых ранних упоминаний медленного света. [22]

Эти оконные стекла имеют состав, через который свет замедляется так же, как и при прохождении через воду. Вы хорошо знаете, Перонн, как можно быстрее услышать звук, например, через металлический трубопровод или какое-либо другое твердое тело, чем через простое пространство. Что ж, Перонн, все это из того же семейства явлений! Вот решение. Эти оконные стекла замедляют свет с невероятной скоростью, поскольку для его замедления на сто лет достаточно лишь относительно тонкого листа. Лучу света требуется сто лет, чтобы пройти через этот слой материи! Ему потребуется год, чтобы пройти через одну сотую этой глубины. [23]

Последующие художественные произведения, посвященные медленному свету, перечислены ниже.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Хургин, Якоб Б. (2010-09-30). «Медленный свет в различных средах: учебное пособие». Advances in Optics and Photonics . 2 (3): 287. Bibcode : 2010AdOP....2..287K. doi : 10.1364/AOP.2.000287. ISSN  1943-8206.
  2. ^ Боллер, К.-Дж.; Имамоглу, А.; Харрис, С.Е. (1991-05-20). «Наблюдение электромагнитно-индуцированной прозрачности». Physical Review Letters . 66 (20): 2593–2596. Bibcode : 1991PhRvL..66.2593B. doi : 10.1103/PhysRevLett.66.2593 . ISSN  0031-9007. PMID  10043562.
  3. ^ Касапи, А.; Джейн, Маниш; Инь, Г.Й.; Харрис, С.Э. (1995-03-27). «Электромагнитно-индуцированная прозрачность: динамика распространения». Physical Review Letters . 74 (13): 2447–2450. Bibcode : 1995PhRvL..74.2447K. doi : 10.1103/PhysRevLett.74.2447. PMID  10057930.
  4. ^ Кроми, Уильям Дж. (1999-02-18). "Физики замедляют скорость света". The Harvard University Gazette . Получено 26-01-2008 .
  5. ^ Ку, Пей-Ченг; Седжвик, Форрест; Чанг-Хаснайн, Конни Дж.; Палингинис, Федон; Ли, Тао; Ван, Хайлинь; Чанг, Шу-Вэй; Чуан, Шун-Лиен (2004-10-01). «Медленный свет в полупроводниковых квантовых ямах». Optics Letters . 29 (19): 2291–2293. Bibcode : 2004OptL...29.2291K. doi : 10.1364/OL.29.002291. ISSN  0146-9592. PMID  15524384. S2CID  18216095.
  6. ^ "Свет превратился в материю, затем остановился и двинулся". Photonics.com . Получено 10 июня 2013 г.
  7. ^ Гинсберг, Наоми С.; Гарнер, Шон Р.; Хау, Лене Вестергаард (8 февраля 2007 г.). «Когерентное управление оптической информацией с помощью динамики материальных волн» (PDF) . Nature . 445 (7128): 623–626. doi :10.1038/nature05493. PMID  17287804. S2CID  4324343.
  8. ^ Канеллос, Майкл (2005-11-02). «IBM замедляет свет, готовит его к работе в сети». ZDNet News . Архивировано из оригинала 2007-12-19 . Получено 2008-01-26 .
  9. ^ Депарис, Оливье; Муше, Себастьен Робер; Су, Бао-Лянь (2015). «Повторный взгляд на сбор света в фотонных кристаллах: почему медленные фотоны на синем краю усиливают поглощение?». Физическая химия Химическая физика . 17 (45): 30525–30532. Bibcode : 2015PCCP...1730525D. doi : 10.1039/C5CP04983K. PMID  26517229.
  10. ^ Ли, Мёнджун и др. (2010). "Систематическое проектирование полностью оптической линии задержки на основе каскадно-связанных кольцевых резонаторов с усилением рассеяния Мандельштама-Бриллюэна" (PDF) . Журнал оптики A . 12 (10): 104012. arXiv : 1002.0084 . Bibcode :2010JOpt...12j4012L. doi :10.1088/2040-8978/12/10/104012. S2CID  18504919.
  11. ^ Lu, Wentao T.; Savo, Salvatore; Casse, B. Didier F.; Sridhar, Srinivas (2009). «Медленный микроволновый волновод из метаматериалов с отрицательной проницаемостью» (PDF) . Microwave and Optical Technology Letters . 51 (11): 2705–2709. CiteSeerX 10.1.1.371.6810 . doi :10.1002/mop.24727. S2CID  9329986. 
  12. ^ Саво, Сальваторе; Лу, Вентао Т.; Касс, Б. Дидье Ф.; Шридхар, Шринивас (2011). «Наблюдение медленного света в волноводе из метаматериалов на микроволновых частотах» (PDF) . Applied Physics Letters . 98 (17): 1719079. Bibcode : 2011ApPhL..98q1907S. doi : 10.1063/1.3583521.
  13. ^ Tsakmakidis, KL; Hess, O.; Boardman, AD (2007). «Захваченное радужное хранение света в метаматериалах». Nature . 450 (7168): 397–401. Bibcode :2007Natur.450..397T. doi :10.1038/nature06285. PMID  18004380. S2CID  34711078.
  14. ^ Чжу, Чжихуа и др. (2013). «Прозрачность, индуцированная широкополосным плазмоном в терагерцовых метаматериалах». Нанотехнологии . 24 (21): 214003. Bibcode : 2013Nanot..24u4003Z. doi : 10.1088/0957-4484/24/21/214003. PMID  23618809. S2CID  14627755.
  15. ^ Нилд, Дэвид (2024-02-10). «Ученые замедлили свет в 10 000 раз в ходе эксперимента». ScienceAlert . Получено 2024-02-12 .
  16. ^ Бхагат, Дивьяни; Гайквад, Махеш (2021-01-01). «Обзор производства медленного света с материальной характеристикой». Materials Today: Proceedings . Международная конференция по поведению и характеристике передовых материалов (ICAMBC 2020). 43 : 1780–1783. doi :10.1016/j.matpr.2020.10.453. ISSN  2214-7853.
  17. ^ Поллитт, Майкл (2008-02-07). «Легкое прикосновение может стимулировать оптоволоконные сети». The Guardian . Получено 2008-04-04 .
  18. ^ Краусс, Томас Ф. (август 2008 г.). «Зачем нам нужен медленный свет?». Nature Photonics . 2 (8): 448–450. Bibcode : 2008NaPho...2..448K. doi : 10.1038/nphoton.2008.139. ISSN  1749-4885.
  19. ^ Ван, Сюй; Чжао, Юйхэ; Дин, Юньхун; Сяо, Саньшуй; Дун, Цзяньцзи (2018-09-01). «Настраиваемая оптическая линия задержки на основе интегрированных решеточных противонаправленных ответвителей». Photonics Research . 6 (9): 880–886. doi :10.1364/PRJ.6.000880. ISSN  2327-9125. S2CID  54203226.
  20. ^ Ши, Чжимин; Бойд, Роберт В.; Готье, Дэниел Дж.; Дадли, CC (2007-04-15). «Повышение спектральной чувствительности интерферометров с использованием медленносветовых сред». Optics Letters . 32 (8): 915–917. Bibcode : 2007OptL...32..915S. doi : 10.1364/OL.32.000915. ISSN  0146-9592. PMID  17375152.
  21. ^ Флейшхауэр, М.; Лукин, МД (2002-01-15). "Квантовая память для фотонов: поляритоны темного состояния". Physical Review A. 65 ( 2): 022314. arXiv : quant-ph/0106066 . Bibcode : 2002PhRvA..65b2314F. doi : 10.1103/PhysRevA.65.022314. ISSN  1050-2947. S2CID  54532771.
  22. ↑ Ренар, Морис (1933). Мастер света .
  23. ^ Эванс, Артур Б. (ноябрь 1994 г.). «Фантастическая научная фантастика Мориса Ренара». Science Fiction Studies . 21 (64) . Получено 23 февраля 2011 г.
  24. ^ Пратчетт, Терри (1983). Цвет волшебства . National Geographic Books. ISBN 9780552166591.
  25. ^ Шоу, Боб (1972). Другие дни, другие глаза. Pan Books. ISBN 9780330238939.

Ссылки