Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

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.

В 1998 году датский физик Лене Вестергаард Хау возглавила объединенную группу из Гарвардского университета и Научного института Роуленда, которой удалось замедлить луч света примерно до 17 метров в секунду [1], а исследователи из Калифорнийского университета в Беркли замедлили скорость движения света. через полупроводник до 9,7 километров в секунду в 2004 году. Хау и ее коллеги позже преуспели в полной остановке света и разработали методы, с помощью которых он может быть остановлен, а затем снова запущен. [2] [3] Это была попытка разработать компьютеры, которые будут использовать только часть энергии современных машин. [4]

В 2005 году IBM создала микрочип, который может замедлять свет, сделанный из довольно стандартных материалов, потенциально проложив путь к коммерческому внедрению. [5]

Фон [ править ]

Когда свет распространяется через материал, он движется медленнее, чем скорость вакуума c . Это изменение фазовой скорости света, которое проявляется в физических эффектах, таких как рефракция . Это снижение скорости количественно выражается отношением между c и фазовой скоростью. Это отношение называется показателем преломления материала. Медленный свет - это резкое уменьшение групповой скорости света, а не фазовой скорости. Эффекты медленного света не связаны с аномально большими показателями преломления, как будет объяснено ниже.

Простейшая картина света, которую дает классическая физика, - это волна или возмущение в электромагнитном поле . В вакууме , уравнение Максвелла предсказывает , что эти нарушения будут двигаться со скоростью конкретной, обозначаемого символ с . Эту хорошо известную физическую постоянную 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 больше, чем просто нарушение электромагнитного поля.

Свет, распространяющийся в среде, больше не является возмущением исключительно электромагнитного поля, а, скорее, возмущением поля, положений и скоростей заряженных частиц ( электронов ) внутри материала. Движение электронов определяются поле (из - за силы Лоренца ) , а поле определяется положениями и скоростями электронов ( в связи с законом Гаусса и законом Ампера ). Поведение возмущения этого комбинированного поля плотности электромагнитного заряда (т. Е. Света) все еще определяется уравнениями Максвелла, но решения сложны из-за тесной связи между средой и полем.

Понимание поведения света в материале упрощается за счет ограничения типов исследуемых возмущений синусоидальными функциями времени. Для этих типов возмущений уравнения Максвелла переходят в алгебраические уравнения и легко решаются. Эти особые возмущения распространяются в материале со скоростью меньше c, называемой фазовой скоростью . Отношение между c и фазовой скоростью называется показателем преломления или показателем преломления материала ( n). Показатель преломления не является постоянным для данного материала, но зависит от температуры, давления и частоты (синусоидальной) световой волны. Последнее приводит к эффекту, называемому дисперсией .

Человек 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 означает очень низкую групповую скорость света. Если дисперсионное соотношение показателя преломления таково, что показатель быстро изменяется в небольшом диапазоне частот, тогда групповая скорость может быть очень низкой, в тысячи или миллионы раз меньше, чем c , даже если показатель преломления все еще является типичным. значение (от 1,5 до 3,5 для стекол и полупроводников).

Способы достижения медленного света [ править ]

Есть много механизмов, которые могут генерировать медленный свет, каждый из которых создает узкие спектральные области с высокой дисперсией , то есть пики в соотношении дисперсии . Схемы обычно делятся на две категории: материальная дисперсия и волноводная дисперсия. Механизмы дисперсии материалов, такие как электромагнитно-индуцированная прозрачность (EIT), когерентные колебания населения (CPO) и различные четырехволновые смешенияСхемы (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 «пробное» поле. Механизмы волноводной дисперсии, такие как фотонные кристаллы , оптические волноводы со связанными резонаторами (CROW) и другие микрорезонаторные структуры [6], изменяют пространственную составляющую (k-вектор) распространяющейся волны. Медленный свет также может быть достигнут за счет использования дисперсионных свойств планарных волноводов, реализованных с использованием одиночных отрицательных метаматериалов (SNM) [7] [8] или двойных отрицательных метаматериалов (DNM).[9]

Преобладающим показателем достоинств схем медленного освещения является произведение задержки на полосу пропускания (DBP). Большинство схем медленного света могут фактически предлагать сколь угодно большую задержку для данной длины устройства (длина / задержка = скорость сигнала) за счет полосы пропускания . Произведение этих двух примерно постоянное. Сопутствующим показателем качества является дробная задержка , то есть время задержки импульса, деленное на общее время импульса. Плазмонная прозрачность - 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 выше 0,40 ТГц. [10]

Возможное использование [ править ]

Медленный свет можно использовать для значительного снижения шума , что может позволить более эффективно передавать все типы информации [ необходима цитата ] . Кроме того, оптические переключатели, управляемые медленным светом [11], могут сократить потребление энергии в миллион раз по сравнению с переключателями, которые сейчас управляют всем, от телефонного оборудования до суперкомпьютеров. [1] Замедление света может привести к более упорядоченному потоку трафика в сетях . Между тем, медленный свет можно использовать для создания интерферометров.которые гораздо более чувствительны к сдвигу частоты по сравнению с обычными интерферометрами. Это свойство можно использовать для создания более совершенных датчиков частоты меньшего размера и компактных спектрометров высокого разрешения. Также медленный свет можно использовать в оптической квантовой памяти.

В художественной литературе [ править ]

Описание «люминита» в романе Мориса Ренара « Мэтр де ля люмьер» ( «Повелитель света» , 1933) может быть одним из самых ранних упоминаний медленного света. [12]

Эти оконные стекла состоят из композиции, через которую свет замедляется так же, как когда он проходит через воду. Вы хорошо знаете, Перон, как можно быстрее услышать звук, например, через металлический канал или другое твердое тело, чем через простое пространство. Что ж, Перонн, все это из одного семейства явлений! Вот решение. Эти стеклянные панели замедляют свет с невероятной скоростью, так как достаточно только относительно тонкого листа, чтобы замедлить его на сто лет. Луч света проходит через этот кусочек материи за сто лет! Чтобы пройти через сотую часть этой глубины, потребуется год. [13]

Последующие художественные произведения, посвященные медленному свету, указаны ниже.

  • Эксперименты с медленным светом упоминаются в романе Дэйва Эггерса « Вы должны знать нашу скорость» (2002), в котором скорость света описывается как «воскресное ползание».
  • На Плоскомириях , где Терри Пратчетт «s роман серия имеет место, свет проходит всего лишь несколько сот миль в час из - за„ошеломляюще сильное“поле волшебной Discworld в. [14]
  • «Медленное стекло» - вымышленный материал в рассказе Боба Шоу « Свет других 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 пределы радиуса захвата каждого атома в стекле». Позже Шоу переработал эти истории в роман « Другие дни, другие глаза» (1972). [15]

Примечания [ править ]

  1. ^ Кроми, Уильям Дж. (1999-02-18). «Физики медленной скорости света» . Вестник Гарвардского университета . Проверено 26 января 2008 .
  2. ^ «Свет превратился в материю, затем остановился и переехал» . Photonics.com . Проверено 10 июня 2013 года .
  3. ^ Гинзберг, Наоми S .; Гарнер, Шон Р .; Хау, Лене Вестергаард (8 февраля 2007 г.). «Когерентное управление оптической информацией с волновой динамикой материи» (PDF) . Природа . 445 (7128): 623–626. DOI : 10,1038 / природа05493 . PMID 17287804 . S2CID 4324343 .   
  4. ^ Kanellos, Майкл (2004-09-28). «Замедление скорости света для улучшения работы в сети» . Новости ZDNet . Архивировано из оригинала на 2008-02-28 . Проверено 26 января 2008 .
  5. ^ Канеллос, Майкл (2005-11-02). «IBM замедляет свет, подготавливает его к работе в сети» . Новости ZDNet . Архивировано из оригинала на 2007-12-19 . Проверено 26 января 2008 .
  6. ^ Ли, Мёнджун; и другие. (2010). «Систематическое исследование конструкции полностью оптической линии задержки на основе каскадно связанных кольцевых резонаторов с усилением Бриллюэна» (PDF) . Журнал Optics А . 12 (10): 104012. arXiv : 1002.0084 . Bibcode : 2010JOpt ... 12j4012L . DOI : 10.1088 / 2040-8978 / 12/10/104012 . S2CID 18504919 .  
  7. ^ Вентао Т. Лу, Саваторе Саво; Б. Дидье Ф. Касс; Шринивас Шридхар (2009). "Медленный СВЧ волновод из метаматериалов с отрицательной проницаемостью" (PDF) . Письма о микроволновых и оптических технологиях . 51 (11): 2705–2709. CiteSeerX 10.1.1.371.6810 . DOI : 10.1002 / mop.24727 .  
  8. ^ Саваторе Саво, Вентао Т. Лу; Б. Дидье Ф. Касс; Шринивас Шридхар (2011). «Наблюдение медленного света в волноводе из метаматериалов на сверхвысоких частотах» (PDF) . Письма по прикладной физике . 98 (17): 1719079. Bibcode : 2011ApPhL..98q1907S . DOI : 10.1063 / 1.3583521 .
  9. ^ KL Tsakmakidis, О. Гесс; Советник по рекламе (2007). «Ловушка для радужного хранения света в метаматериалах». Природа . 450 (7168): 397–401. Bibcode : 2007Natur.450..397T . DOI : 10,1038 / природа06285 . PMID 18004380 . S2CID 34711078 .  
  10. ^ Чжу, Чжихуа; и другие. (2013). «Широкополосная плазмонная прозрачность в метаматериалах терагерцового диапазона». Нанотехнологии . 24 (21): 214003. Bibcode : 2013Nanot..24u4003Z . DOI : 10.1088 / 0957-4484 / 24/21/214003 . PMID 23618809 . 
  11. ^ Поллитт, Майкл (2007-02-07). «Легкое прикосновение может ускорить развитие волоконно-оптических сетей» . Хранитель . Проверено 4 апреля 2008 .
  12. ^ Ренар, Морис (1933). Повелитель света .
  13. ^ Эванс, Артур Б. "Фантастическая научная фантастика Мориса Ренара" . Научная фантастика Исследования, # 64, Vol.21, Part 3, ноябрь 1994 . Проверено 23 февраля 2011 года .
  14. ^ Пратчетт, Терри (1983). Цвет магии . ISBN 9780552166591.
  15. ^ Шоу, Боб (1972). Другие дни, другие глаза . ISBN 9780330238939.

Ссылки [ править ]

  • Лене Вестергаард Хау, С. Е. Харрис, Захари Даттон, Сайрус Х. Бехрузи, Nature v.397, стр. 594 (1999).
  • "Новый фотонный волновод IBM". Природа , ноябрь 2004 г.
  • J. Scheuer, GT Paloczi, JKS Poon и A. Yariv, "Оптические волноводы со связанными резонаторами: на пути к замедлению и накоплению света", Опт. Фотон. Новости, Vol. 16 (2005) 36.