Медленный свет - Википедия - Slow light

Медленный свет это распространение оптического импульса или другой модуляции оптической несущей на очень низком уровне групповая скорость. 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 возглавил сборную из Гарвардский университет и Институт науки Роуленда которому удалось замедлить луч света примерно до 17 метров в секунду,[1] и исследователи в Калифорнийский университет в Беркли замедлил скорость света, движущегося через полупроводник до 9,7 километров в секунду в 2004 году. Хау и ее коллегам позже удалось полностью остановить свет и разработать методы, с помощью которых он может быть остановлен, а затем снова запущен.[2][3] Это было сделано для разработки компьютеров, которые будут использовать только часть энергии современных машин.[4]

В 2005 году, IBM создал микрочип которые могут замедлять свет, изготовлены из довольно стандартных материалов, потенциально открывая путь к коммерческому внедрению.[5]

Фон

Когда свет распространяется через материал, он движется медленнее, чем скорость вакуума, c. Это изменение в фазовая скорость света и проявляется в физических эффектах, таких как преломление. Это снижение скорости количественно выражается соотношением между c и фазовая скорость. Это соотношение называется показатель преломления материала. Медленный свет резко снижает групповая скорость света, а не фазовой скорости. Эффекты медленного света не связаны с аномально большими показателями преломления, как будет объяснено ниже.

Самая простая картина свет дано классической физикой волна или беспокойство в электромагнитное поле. В вакуум, Уравнения Максвелла предсказать, что эти возмущения будут перемещаться с определенной скоростью, обозначенной символом c. Эту хорошо известную физическую постоянную обычно называют скорость света. Постулат о постоянстве скорости света во всех инерциальных системах отсчета лежит в основе специальная теория относительности и породил популярное представление о том, что «скорость света всегда одна и та же». 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, положения и скорости заряженных частиц (электроны ) в материале. Движение электронов определяется полем (из-за Сила Лоренца ), но поле определяется положением и скоростью электронов (из-за Закон Гаусса и Закон Ампера ). Поведение возмущения этого комбинированного поля плотности электромагнитного заряда (то есть 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 исследуемых возмущений до синусоидальный функции времени. Для этих типов возмущений уравнения Максвелла переходят в алгебраические уравнения и легко решаются. Эти особые возмущения распространяются в материале со скоростью ниже, чем c называется фазовая скорость. Соотношение между c а фазовая скорость называется показатель преломления или же показатель преломления материала (п). Показатель преломления не является постоянным для данного материала, но зависит от температуры, давления и частоты (синусоидальной) световой волны. Последнее приводит к эффекту, называемому разброс.

Человек воспринимает интенсивность синусоидального возмущения как яркость света и частоты 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 групповая скорость. 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 означает очень низкую групповую скорость света. Если дисперсионное соотношение показателя преломления таково, что показатель быстро меняется в небольшом диапазоне частот, тогда групповая скорость может быть очень низкой, в тысячи или миллионы раз меньше, чем c, хотя показатель преломления все еще является типичным значением (от 1,5 до 3,5 для стекол и полупроводников).

Способы добиться медленного света

Есть много механизмов, которые могут генерировать медленный свет, каждый из которых создает узкие спектральные области с высоким разброс, т.е. пики в соотношение дисперсии. Схемы обычно делятся на две категории: материальная дисперсия и волноводная дисперсия. Механизмы диспергирования материалов, такие как электромагнитно индуцированная прозрачность (EIT), когерентное колебание населения (CPO) и различные четырехволновое смешение Схемы (FWM) производят быстрое изменение показателя преломления в зависимости от оптической частоты, то есть 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, световоды со связанными резонаторами (CROW) и другие микрорезонаторные конструкции[6] изменить пространственную составляющую (k-вектор) распространяющейся волны. Медленный свет также может быть достигнут за счет использования дисперсионных свойств планарных волноводов, реализованных с помощью одиночные отрицательные метаматериалы (SNM)[7][8] или же двойные отрицательные метаматериалы (DNM).[9]

Преобладающим показателем достоинств схем медленного света является Произведение задержки на полосу пропускания (ДАД). Большинство схем медленного света могут фактически предлагать сколь угодно большую задержку для данной длины устройства (длина / задержка = скорость сигнала) за счет пропускная способность. Произведение этих двух примерно постоянное. Связанный показатель качества - дробная задержка, время задержки импульса, деленное на общее время импульса. Плазмонная прозрачность - аналог EIT - предлагает 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

Медленный свет можно использовать для значительного уменьшения шум, который может позволить все типы информации быть переданный более эффективно[нужна цитата ]. Также оптические переключатели, управляемые медленным светом[11] могут сократить потребности в электроэнергии в миллион раз по сравнению с коммутаторами, на которых сейчас работает все, от телефонного оборудования до суперкомпьютеров.[1]Замедление светового сигнала может привести к более упорядоченному движению транспорта в сети. Между тем, медленный свет можно использовать для построения интерферометры которые гораздо более чувствительны к сдвигу частоты по сравнению с обычными интерферометрами. Это свойство можно использовать для создания более совершенных сенсоров с меньшей частотой и компактных спектрометров высокого разрешения. Кроме того, медленный свет можно использовать в оптической квантовой памяти.

В художественной литературе

Описание "люминита" в Морис Ренар роман, Мэтр де ла Люмьер (Повелитель света, 1933), может быть одним из первых упоминаний о медленном свете.[12]

Эти оконные стекла состоят из композиции, через которую свет замедляется так же, как когда он проходит через воду. Вы хорошо знаете, Перонн, как можно быстрее услышать звук, например, через металлический канал или другое твердое тело, чем через простое пространство. Что ж, Перонн, все это принадлежит к одному семейству 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 Дэйв Эггерс роман Вы должны знать нашу скорость (2002), в котором скорость света описывается как «воскресное ползание».
  • На Плоский мир, куда Терри Пратчетт с серия романов свет проходит всего несколько сотен миль в час из-за «невероятно сильного» магического поля Плоского мира.[14]
  • «Медленное стекло» - художественный материал в Боб Шоу рассказ "Свет других дней " (Аналоговый, 1966) и несколько последующих рассказов. Стекло, которое задерживает прохождение света на годы или десятилетия, используется для создания окон, называемых Scenedows, позволяющие горожанам, подводникам и заключенным смотреть "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 истории в роман. Другие дни, другие глаза (1972).[15]

Примечания

  1. ^ Кроми, Уильям Дж. (1999-02-18). "Физики медленной скорости света". Вестник Гарвардского университета. Получено 2008-01-26.
  2. ^ «Свет превратился в материю, затем остановился и переместился». Photonics.com. Получено 10 июн 2013.
  3. ^ Ginsberg, Naomi 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. Дои:10.1038 / природа05493. PMID  17287804.
  4. ^ Канеллос, Майкл (28 сентября 2004 г.). «Замедление скорости света для улучшения работы в сети». Новости ZDNet. Архивировано из оригинал на 2008-02-28. Получено 2008-01-26.
  5. ^ Канеллос, Майкл (2005-11-02). «IBM замедляет свет, готовит его к работе в сети». Новости ZDNet. Архивировано из оригинал на 2007-12-19. Получено 2008-01-26.
  6. ^ Ли, Мёнджун; и другие. (2010). «Систематическое исследование конструкции полностью оптической линии задержки на основе каскадно связанных кольцевых резонаторов с усилением бриллюэновского рассеяния» (PDF). Журнал оптики А. 12 (10).
  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. Дои:10.1002 / швабра 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. Дои:10.1063/1.3583521.
  9. ^ К.Л. Цакмакидис, О. Гесс; А.Д. Бордман (2007). «Захваченное радугой хранилище света в метаматериалах». Природа. 450 (7168): 397–401. Bibcode:2007Натура 450..397Т. Дои:10.1038 / природа06285. PMID  18004380.
  10. ^ Чжу, Чжихуа; и другие. (2013). «Широкополосная плазмонная прозрачность в терагерцовых метаматериалах». Нанотехнологии. 24 (21): 214003. Bibcode:2013Nanot..24u4003Z. Дои:10.1088/0957-4484/24/21/214003. PMID  23618809.
  11. ^ Поллитт, Майкл (2007-02-07). «Легкое прикосновение может ускорить развитие волоконно-оптических сетей». Хранитель. Получено 2008-04-04.
  12. ^ Ренар, Морис (1933). Повелитель света.
  13. ^ Эванс, Артур Б. "Фантастическая научная фантастика Мориса Ренара". Научно-фантастические исследования, # 64, том 21, часть 3, ноябрь 1994 г.. Получено 23 февраля 2011.
  14. ^ Пратчетт, Терри (1983). Цвет магии. ISBN  9780552166591.
  15. ^ Шоу, Боб (1972). Другие дни, другие глаза. ISBN  9780330238939.

Рекомендации

  • Lene Vestergaard Hau, S.E. Харрис, Захари Даттон, Сайрус Х. Бехрузи, Природа т.397, с. 594 (1999).
  • "Новый фотонный волновод IBM". Природа, Ноябрь 2004 г.
  • J. Scheuer, G. T. Paloczi, J. K. S. Poon и A. Yariv, "Оптические волноводы со связанными резонаторами: на пути к замедлению и накоплению света", Опт. Фотон. Новости, Vol. 16 (2005) 36.