Медленный свет
Медленный свет — это распространение оптического импульса или другой модуляции оптической несущей 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 эффективно реализованы до 1991 года, когда Стивен Харрис и его коллеги продемонстрировали электромагнитно-индуцированную прозрачность в захваченных атомах стронция. [1] [2] В 1995 году сообщалось о снижении скорости света в 165 раз. [3] В 1998 году датский физик Лене Вестергаард Хау возглавила объединенную группу из Гарвардского университета и Научного института Роуленда, которая обнаружила 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 километров в секунду. [5] Позже Хау и ее коллегам удалось полностью остановить свет 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 открывает путь к коммерческому внедрению. [8]
Предыстория [ править ]
 |
Когда свет распространяется через материал, он распространяется медленнее, чем скорость вакуума, c . Это изменение фазовой скорости света и проявляется в таких физических эффектах, как рефракция . Это снижение скорости количественно определяется соотношением между c и фазовой скоростью. Это соотношение называется показателем преломления материала. Медленный свет — это резкое уменьшение групповой скорости света, а не фазовой скорости. Эффекты медленного света не возникают из-за аномально больших показателей преломления, как будет объяснено ниже.
Простейшая картина света , которую дает классическая физика, — это волна или возмущение в электромагнитном поле . предсказывают, что в вакууме Уравнения Максвелла эти возмущения будут распространяться с определенной скоростью, обозначаемой символом c . Эту хорошо известную физическую константу обычно называют 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 просто возмущение электромагнитного поля.
Свет, распространяющийся внутри среды, — это не просто возмущение исключительно электромагнитного поля, а скорее возмущение поля, а также положения и скорости 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 комбинированного 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, но зависит от температуры, давления и 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 модулируется иным образом, 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. производная показателя преломления по частоте).
Медленный свет относится к очень низкой групповой скорости света. Если закон дисперсии показателя преломления таков, 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 значение (от 1,5 до 3,5 для стекол и полупроводников).
Подготовка [ править ]
Существует множество механизмов, которые могут генерировать медленный свет, каждый из которых создает узкие спектральные области с высокой дисперсией , то есть пики в законе дисперсии . Схемы обычно группируются в две категории: дисперсия материала и дисперсия волновода.
Дисперсия материала [ править ]
Механизмы дисперсии материала, такие как электромагнитно-индуцированная прозрачность (EIT), когерентные колебания населенности (CPO) и различные схемы четырехволнового смешивания (FWM), вызывают 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 «зондирующее» поле. Механизмы дисперсии, такие как фотонные кристаллы на красных и синих краях, [9] оптические волноводы со связанным резонатором (CROW) и другие микрорезонаторные структуры. [10] изменить пространственную составляющую (k-вектор) распространяющейся волны.
Волноводная дисперсия
Медленного света также можно добиться, используя дисперсионные свойства плоских волноводов, реализованных из одиночных отрицательных метаматериалов (SNM). [11] [12] или двойные негативные метаматериалы (ДНМ). [13]
Преобладающий показатель достоинств [ нужны разъяснения ] Одной из схем медленного света является произведение пропускной способности и задержки (BDP). Большинство схем медленного света фактически могут обеспечивать сколь угодно большую задержку для заданной длины устройства (длина/задержка = скорость сигнала) за счет полосы пропускания . Произведение этих двух примерно постоянно. Связанным с этим показателем качества является дробная задержка : время задержки импульса, деленное на общее время импульса. Плазмонно-индуцированная прозрачность – аналог ЭИТ – обеспечивает другой подход, основанный на деструктивной интерференции между различными резонансными модами. Недавняя работа продемонстрировала этот эффект в широком окне прозрачности и в диапазоне частот выше 0,40 ТГц. [14]
Возможное использование [ править ]
Замедление света имеет различные потенциальные практические применения в различных областях технологий: от широкополосного Интернета до квантовых вычислений: [15]
- Замедленный свет может улучшить передачу данных в оптической связи за счет уменьшения искажений и улучшения качества сигнала. [16]
- Оптические переключатели, использующие медленный свет в фотонных кристаллах, могут обеспечить более быструю передачу данных по оптоволоконным кабелям, имея при этом значительно более низкие требования к мощности. [17] [18]
- Медленный свет также можно использовать для контроля задержек в оптических сетях , обеспечивая более упорядоченный поток трафика. [19]
- Кроме того, медленный свет можно использовать для создания интерферометров , которые гораздо более чувствительны к сдвигу частоты, чем обычные интерферометры. [20] Это свойство можно использовать для создания более совершенных и меньших по размеру датчиков частоты и компактных спектрометров высокого разрешения. [ нужна цитата ]
- Другие потенциальные приложения включают оптическую квантовую память. [21]
В художественной литературе [ править ]
Описание «люминита» в Мориса Ренара романе » « Мастер света , 1933, возможно, является одним из самых ранних упоминаний о медленном свете. [22]
Эти оконные стекла имеют состав, благодаря которому свет замедляется так же, как и при прохождении через воду. Ты хорошо знаешь, Перонн, что звук можно услышать быстрее, например, через металлический трубопровод или какое-нибудь другое твердое тело, чем через простое пространство. Ну, Перонн, все это из одного и того же семейства явлений! Вот решение. Эти оконные стекла замедляют свет с невероятной скоростью, поскольку достаточно лишь относительно тонкого листа, чтобы замедлить его на сто лет. Лучу света требуется сто лет, чтобы пройти через этот кусочек материи! Ему понадобится год, чтобы пройти одну сотую этой глубины. [23]
Последующие художественные работы, посвященные медленному свету, отмечены ниже.
- Эксперименты с медленным светом упоминаются в Дэйва Эггерса « романе Вы узнаете нашу скорость» (2002), в котором скорость света описывается как «воскресное ползание».
- На Плоском мире , где Терри Пратчетта , свет распространяется всего лишь на несколько сотен миль в час из-за «поразительно сильного» магического поля Плоского мира. серии романов происходит действие [24]
- «Медленное стекло» — вымышленный материал в Боба Шоу рассказе « Свет иных дней » ( Аналог , 1966), и нескольких последующих рассказах. Стекло, которое задерживает прохождение света на годы или десятилетия, используется для создания окон, называемых сценами , которые позволяют горожанам, подводникам и заключенным наблюдать «живые» сельские пейзажи. «Медленное стекло» - это материал, в котором задержка света при прохождении через стекло объясняется прохождением фотонов «... через спиральный туннель, свернутый за пределами радиуса захвата каждого атома в стекле». Позже Шоу переработал эти рассказы в роман « Другие дни, другие глаза» (1972). [25]
- «Медленный свет» (2022) — короткометражный фильм Киека/Адамски с использованием двух анимационных техник. Это история о мальчике, который родился слепым и внезапно в семилетнем возрасте увидел свет. Медицинское обследование показывает, что его глаза настолько плотные, что свету требуется семь лет, чтобы достичь сетчатки и, следовательно, изображения до его сознания. Последствие дефекта глаза выливается в умственную незрелость человека, непонимание. настоящего и запоздалых размышлений о давно минувших фактах. Мужчина никогда не становится достаточно зрелым для своего возраста и постоянно задерживается в прошлом.
- В шутере от первого лица Valve «Half Life 2» в оригинальном саундтреке присутствует песня под названием «Slow Light». Многие другие песни в этом саундтреке также являются отсылками к физическим явлениям, таким как «Сканирование браны» и «Темная энергия».
См. также [ править ]
Примечания [ править ]
- ^ Хургин, Джейкоб Б. (30 сентября 2010 г.). «Медленный свет в различных медиа: учебное пособие» . Достижения оптики и фотоники . 2 (3): 287. Бибкод : 2010AdOP....2..287K . дои : 10.1364/AOP.2.000287 . ISSN 1943-8206 .
- ^ Боллер, К.-Дж.; Имамоглу, А.; Харрис, SE (20 мая 1991 г.). «Наблюдение электромагнитно-индуцированной прозрачности» . Письма о физических отзывах . 66 (20): 2593–2596. Бибкод : 1991PhRvL..66.2593B . doi : 10.1103/PhysRevLett.66.2593 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 10043562 .
- ^ Касапи, А.; Джайн, Маниш; Инь, ГЯ; Харрис, SE (27 марта 1995 г.). «Электромагнитно-индуцированная прозрачность: динамика распространения» . Письма о физических отзывах . 74 (13): 2447–2450. Бибкод : 1995PhRvL..74.2447K . doi : 10.1103/PhysRevLett.74.2447 . ПМИД 10057930 .
- ^ Кроми, Уильям Дж. (18 февраля 1999 г.). «Физики замедляют скорость света» . Газета Гарвардского университета . Проверено 26 января 2008 г.
- ^ Ку, Пэй-Чэн; Седжвик, Форрест; Чанг-Хаснайн, Конни Дж.; Палингинис, Федон; Ли, Тао; Ван, Хайлинь; Чанг, Шу-Вэй; Чуанг, Шунь-Лиен (1 октября 2004 г.). «Медленный свет в полупроводниковых квантовых ямах» . Оптические письма . 29 (19): 2291–2293. Бибкод : 2004OptL...29.2291K . дои : 10.1364/OL.29.002291 . ISSN 0146-9592 . ПМИД 15524384 . S2CID 18216095 .
- ^ «Свет превратился в материю, затем остановился и начал двигаться» . Фотоника.com . Проверено 10 июня 2013 г.
- ^ Гинзберг, Наоми С.; Гарнер, Шон Р.; Хау, Лене Вестергор (8 февраля 2007 г.). «Когерентное управление оптической информацией с динамикой волн материи» (PDF) . Природа . 445 (7128): 623–626. дои : 10.1038/nature05493 . ПМИД 17287804 . S2CID 4324343 .
- ^ Канеллос, Майкл (2 ноября 2005 г.). «IBM замедляет свет, готовит его к работе в сети» . Новости ЗДНет . Архивировано из оригинала 19 декабря 2007 г. Проверено 26 января 2008 г.
- ^ Депари, Оливье; Муше, Себастьен Робер; Су, Бао-Лянь (2015). «Возврат к сбору света в фотонных кристаллах: почему медленные фотоны на синем крае усиливают поглощение?» . Физическая химия Химическая физика . 17 (45): 30525–30532. Бибкод : 2015PCCP...1730525D . дои : 10.1039/C5CP04983K . ПМИД 26517229 .
- ^ Ли, Мёнджун; и другие. (2010). «Систематическое исследование конструкции полностью оптической линии задержки на основе каскадно-связанных кольцевых резонаторов, усиленных рассеянием Бриллюэна» (PDF) . Журнал оптики А. 12 (10): 104012. arXiv : 1002.0084 . Бибкод : 2010JOpt...12j4012L . дои : 10.1088/2040-8978/12/10/104012 . S2CID 18504919 .
- ^ Лу, Вэньтао Т.; Саво, Сальваторе; Касс, Б. Дидье Ф.; Шридхар, Шринивас (2009). «Медленный микроволновый волновод из метаматериалов с отрицательной проницаемостью» (PDF) . Письма о микроволновых и оптических технологиях . 51 (11): 2705–2709. CiteSeerX 10.1.1.371.6810 . дои : 10.1002/mop.24727 . S2CID 9329986 .
- ^ Саво, Сальваторе; Лу, Вэньтао Т.; Касс, Б. Дидье Ф.; Шридхар, Шринивас (2011). «Наблюдение медленного света в волноводе из метаматериалов на микроволновых частотах» (PDF) . Письма по прикладной физике . 98 (17): 1719079. Бибкод : 2011ApPhL..98q1907S . дои : 10.1063/1.3583521 .
- ^ Цакмакидис, КЛ; Он такой.; Бордман, AD (2007). «Ловушка радужного хранения света в метаматериалах». Природа . 450 (7168): 397–401. Бибкод : 2007Natur.450..397T . дои : 10.1038/nature06285 . ПМИД 18004380 . S2CID 34711078 .
- ^ Чжу, Чжихуа; и другие. (2013). «Широкополосная плазмонная прозрачность в терагерцовых метаматериалах». Нанотехнологии . 24 (21): 214003. Бибкод : 2013Nanot..24u4003Z . дои : 10.1088/0957-4484/24/21/214003 . ПМИД 23618809 . S2CID 14627755 .
- ^ Нилд, Дэвид (10 февраля 2024 г.). «Ученые в ходе эксперимента замедлили свет в 10 000 раз» . НаукаАлерт . Проверено 12 февраля 2024 г.
- ^ Бхагат, Дивьяни; Гайквад, Махеш (1 января 2021 г.). «Обзор производства медленного света с характеристиками материала» . Материалы сегодня: Труды . Международная конференция по поведению и характеристике современных материалов (ICAMBC 2020). 43 : 1780–1783. дои : 10.1016/j.matpr.2020.10.453 . ISSN 2214-7853 .
- ^ Поллитт, Майкл (7 февраля 2008 г.). «Легкое прикосновение может улучшить работу оптоволоконных сетей» . Хранитель . Проверено 4 апреля 2008 г.
- ^ Краусс, Томас Ф. (август 2008 г.). «Зачем нам нужен медленный свет?» . Природная фотоника . 2 (8): 448–450. Бибкод : 2008NaPho...2..448K . дои : 10.1038/nphoton.2008.139 . ISSN 1749-4885 .
- ^ Ван, Сюй; Чжао, Юхэ; Дин, Юнхун; Сяо, Саньшуй; Донг, Цзяньцзи (01 сентября 2018 г.). «Перестраиваемая оптическая линия задержки на основе встроенных встречных ответвителей с решетками» . Фотонные исследования . 6 (9): 880–886. дои : 10.1364/PRJ.6.000880 . ISSN 2327-9125 . S2CID 54203226 .
- ^ Ши, Чимин; Бойд, Роберт В.; Готье, Дэниел Дж.; Дадли, CC (15 апреля 2007 г.). «Повышение спектральной чувствительности интерферометров с использованием медленносветовых сред» . Оптические письма . 32 (8): 915–917. Бибкод : 2007OptL...32..915S . дои : 10.1364/OL.32.000915 . ISSN 0146-9592 . ПМИД 17375152 .
- ^ Флейшхауэр, М.; Лукин, доктор медицинских наук (15 января 2002 г.). «Квантовая память фотонов: поляритоны в темном состоянии» . Физический обзор А. 65 (2): 022314. arXiv : quant-ph/0106066 . Бибкод : 2002PhRvA..65b2314F . дои : 10.1103/PhysRevA.65.022314 . ISSN 1050-2947 . S2CID 54532771 .
- ^ Ренар, Морис (1933). Мастер Света .
- ^ Эванс, Артур Б. (ноябрь 1994 г.). «Фантастическая научная фантастика Мориса Ренара» . Научно-фантастические исследования . 21 (64) . Проверено 23 февраля 2011 г.
- ^ Пратчетт, Терри (1983). Цвет Магии . Национальные географические книги. ISBN 9780552166591 .
- ^ Шоу, Боб (1972). Другие дни, другие глаза . Пан Книги. ISBN 9780330238939 .
Ссылки [ править ]
- Лене Вестергаард Хау, С.Э. Харрис, Закари Даттон, Сайрус Х. Бехрузи, Nature v.397, с. 594 (1999).
- «Новый фотонный волновод IBM». Природа , ноябрь 2004 г.
- Дж. Шойер, Г.Т. Палоци, Дж.КС. Пун и А. Ярив, «Оптические волноводы со связанным резонатором: на пути к замедлению и сохранению света», Опт. Фотон. Новости, Том. 16 (2005) с. 36.