Ранее ученые установили, что свет можно замедлить в определенных сценариях, а новое исследование демонстрирует метод достижения этого, который обещает стать одним из самых полезных подходов. Исследование было опубликовано в журнале Nano Letters.
Исследователи, стоящие за этим прорывом, из Университета Гуанси и Китайской академии наук в Китае, говорят, что их метод может принести пользу вычислениям и оптической связи.
Свет, проносящийся сквозь пустоту космоса, движется с одной и только одной скоростью — 299 792 километра в секунду. Однако если вы набросите на его путь кучу электромагнитных полей, например, тех, которые окружают обычную материю, эта необычайная скорость начнет замедляться.
Большинство прозрачных материалов замедляют свет на небольшую долю. Именно изменения скорости заставляют свет искривляться при переходе из одной среды в другую. Но чтобы действительно затормозить, нужны специальные материалы, такие как фотонные кристаллы или даже сверхохлажденные квантовые газы.
«Мы полагаем, что наша работа открывает совершенно новое направление для реализации сверхсильных взаимодействий света и материи в нанофотонных чипах», — пишут исследователи.
Новый метод основан на так называемой электромагнитно-индуцированной прозрачности (ЭИТ), которая использует хитрую лазерную хитрость для манипулирования электронами внутри газа, хранящегося в вакууме, — по сути, превращая его из непрозрачного в прозрачный.
Это означает, что лазерный свет может проходить сквозь него, но из-за того, как им манипулируют, он также замедляется. Это делает его очень интересным для физиков, но такой подход также означает, что на этом пути теряется много света и энергии.
Чтобы уменьшить эти потери и повысить эффективность всей системы, исследователи взяли на вооружение некоторые принципы EIT по управлению светом и разработали новый материал, замедляющий свет. Материал представляет собой своего рода метаповерхность — синтетическую двумерную структуру со свойствами, не похожими ни на одну из природных.
Метаповерхности, разработанные командой, были сделаны из очень тонких слоев кремния – как современные компьютерные чипы – и оказались намного лучше существующих вариантов в том, как они удерживают и выделяют энергию (в данном случае, из света).
Согласно результатам, полученным исследователями, в этой системе свет может замедляться более чем в 10 000 раз. При этом потери света сокращаются более чем в пять раз по сравнению с другими сопоставимыми методами.
Ключом к новому подходу является способ расположения мельчайших строительных блоков метаповерхности, известных как метаатомы. В этом случае они, по сути, достаточно близки, чтобы сливаться вместе, что, в свою очередь, влияет на то, как обрабатывается свет при его прохождении.
Конечным результатом всей этой сложной науки является лучший контроль над тем, как распространяется свет. Поскольку свет играет ключевую роль во всем, от широкополосного Интернета до квантовых вычислений, существует множество потенциальных приложений.
Это не единственный найденный учеными способ дальнейшего замедления света, помимо естественного замедления, которое происходит в таких веществах, как вода, но его эффективность и масштабируемость делают его многообещающим вариантом для дальнейшего изучения.
«Благодаря этим результатам наше исследование открывает новый путь для настройки светового потока в метаповерхностях», — пишут исследователи.
