Среди научных задач XXI века одной из самых интригующих и перспективных остается управление скоростью света. Эта задача чрезвычайно важна для развития квантовых технологий и сверхбыстрых коммуникационных систем. При этом физикам необходимо изменять скорость световых импульсов радикально, не снижая эффективность передачи информации и не искажая сигнал.
Преодоление границ: новые методы в работе со светом
Классические способы манипулирования скоростью света обычно опираются на квантовое явление интерференции. Благодаря этим методам можно сделать среду более прозрачной или затормозить прохождение фотонов, добиваясь желаемых задержек сигнала. Однако классические подходы позволяют регулировать только групповую скорость, то есть свет ведет себя одинаково независимо от направления распространения. Современным исследователям оказалось интересно реализовать совершенно новый сценарий — создать невзаимный контроль скоростей: сделать так, чтобы скорость света отличалась в зависимости от направления.
Для управления светом, особенно в информационных и вычислительных системах нового поколения, подобная невзаимность открывает пути к созданию «световых вентилей» и отказу от классических электронных аналогов, ограниченных скоростью и помехами.
Фазовый контроль: фундаментальные принципы и новое открытие
Свет характеризуется не только скоростью, но и фазой — своеобразным «смещением» волны. И если обычно любое существенное влияние на фазу световой волны сопровождается изменением ее амплитуды, то согласно фундаментальному принципу, называемому соотношениями Крамерса-Кронига, эти параметры кажутся неразделимыми. Тем не менее, ученые выдвинули гипотезу, что, возможно, при определенных условиях возможно невзаимное разграничение этих характеристик.
Один из руководителей проекта, профессор Цань-Мин Ху из Университета Манитобы, отмечает: «Многие считали, что раздельное управление параметрами света невозможно, однако эксперимент показал нам, насколько щедра природа на неожиданные решения».
Гибридная магнонно-фотонная система: кооперация двух университетов
Объединенная команда из Университета Манитобы (Канада) и Ланьчжоуского университета (Китай) реализовала уникальное устройство, позволяющее осуществлять такой тонкий контроль. Исследователи сконструировали гибридную систему, где используется диэлектрический резонатор для фотонных процессов и миниатюрная сфера из иттрий-железного граната — идеальный магнитный материал для управления спинами электронов, которые прецессируют в заданном направлении, формируя внутреннюю хиральность.
На стыке фотонных и магнитных свойств возможно связывать микроволновые фотоны (световые кванты в СВЧ-диапазоне) с магнонами, которые отвечают за динамику коллективных спиновых возбуждений. Эксперимент показал: если подать в такую структуру микроволновый импульс с обеих сторон, то скорость его распространения в разных направлениях становится различной. Таким образом удалось достичь желаемого невзаимного управления скоростью света.
Практические перспективы открытия
Результаты работы Цань-Мин Ху и его коллег не только доказывают теоретическую возможность невзаимного раздельного регулирования характеристик света, но и демонстрируют надежную передачу сигнала с гибким, настраиваемым коэффициентом изоляции. В будущем, после дополнительной оптимизации, подобные системы могут стать основой новых фотонных процессоров, оптических изоляторов и других компонентов для квантовых и классических сверхскоростных сетей передачи данных. Авторы проекта предполагают, что потенциальное усиление разницы между параметрами света позволит реализовать еще более ярко выраженные эффекты для практического применения в фотоэлектронике и ИТ-инфраструктуре.
Новое слово в контроле света
Работы ученых из Университета Манитобы и Ланьчжоуского университета расширяют горизонты современных технологий и обещают революцию в области управления светом. Благодаря этим находкам можно рассчитывать на появление уникальных оптических устройств, способных направлять информацию точно туда, где она необходима, с максимальной скоростью и минимальными потерями. Научный союз двух университетов и вдохновляющее лидерство Цань-Мин Ху проложили путь к завтрашним технологиям обмена данными и квантовым вычислениям.
Источник: naked-science.ru
