Фізики з університету Іллінойсу змогли керувати швидкістю і напрямком поширення світла за допомогою звуку.
Прочитавши заголовок, легко уявити, що фізики придумали якесь таємниче заклинання, яке може змінити одну з фундаментальних констант всесвіту. Ні, ніякої містики тут немає, в ході експерименту жоден фізичний закон не був порушений, а постійна швидкості світла у вакуумі залишилася недоторканою. Однак звукові хвилі дійсно здатні впливати на світло, і робота дослідників може виявитися дуже корисною для розвитку технологій оптоволоконної передачі даних. Як це працює?
На початку минулого століття радянський фізик Леонід Мандельштам теоретично показав, що звукові коливання в прозорій речовині можуть розсіювати світло, що проходить через цю речовину. Звукові хвилі викликають локальні зміни щільності середовища і як наслідок, змінюють показник заломлення. У результаті такого розсіювання втрачається частина світлової енергії. Незалежно від Мандельштама американський фізик Леон Брилюен прийшов до таких же результатів. У підсумку взаємодію звуку і світла в прозорих середовищах назвали ефектом Мандельштама-Бриллюена.
Однак ми не помічаємо, щоб гучна музика розсіювала світло від лампочки, як, наприклад, розсіюється світло автомобільних фар в тумані. Ефект стане помітним, тільки якщо замість звичайної лампочки взяти джерело монохроматичного випромінювання - лазер. Справа в тому, що промінь лазера являє собою електромагнітне випромінювання з однією довжиною хвилі, яка і визначає його «колір». У червоного променя одна довжина хвилі, у зеленого - інша.
Тепер візьмемо оптоволоконну лінію передачі даних. Принцип її роботи в тому, що інформація передається за рахунок зміни інтенсивності світлового променя, що поширюється вздовж прозорої скляної нитки. Одну оптоволоконну нитку можна одночасно використовувати для передачі даних по сотнях каналів, просто використовуючи промені світла різної довжини хвилі. Кожному каналу відповідає певна довжина хвилі лазера. Досить схоже з передачею даних по радіохвилях, крім одного: якщо ми збільшуємо потужність радіопередавача, то збільшується потужність сигналу і дальність його прийому. Якщо ж ми збільшуємо потужність лазера для передачі сигналу по оптоволокну, передача погіршується - все більша частина сигналу почне губитися через розсіювання Мандельштама-Бриллюена. Тому існує порогова потужність сигналу, перевищувати яку не має сенсу, інакше передане світло просто позначиться назад.
Що ж зробили фізики з університету Іллінойсу? На тонкій оптоволоконній нитці вони закріпили маленьку скляну сферу. Така конструкція називається кільцевим оптичним резонатором. Промінь лазера з оптоволоконної нитки потрапляє в резонатор і за рахунок багаторазового внутрішнього відображення залишається в ньому, як у пастці. Ключовим моментом в експерименті став другий лазерний промінь, з частотою, що відрізняється від початкової на певну величину. Різниця в частотах лазерних променів відповідала частоті акустичних коливань матеріалу сфери. Це і зробило систему з оптоволокна і резонатора прозорою для першого променя.
Що найдивовижніше, така система виявилася прозора для променів тільки з одного боку. Вийшла подоба оптичного турнікету - світло проходить з одного боку, і не може пройти з іншого. Виникає така цікава властивість через складну взаємодію двох світлових променів і акустичних хвиль у матеріалі - ефекті розсіювання Мандельштама-Бриллюена. Тільки в даному випадку, замість того щоб перешкоджати проходженню променя по волокну, він, навпаки, забезпечив йому вільний коридор.
Відкриття таких властивостей дозволить створювати мініатюрні оптичні ізолятори і циркуляртори, які потрібні для оптоволоконних систем і в перспективі - для квантових комп'ютерів. Зараз дія цих пристроїв заснована на магнітооптичному ефекті Фарадея, і для пропускання світла тільки в один бік застосовуються магнітні поля і матеріали. Позбутися зайвих магнітних полів якраз допоможе зроблене відкриття. Крім того, його можна використовувати для зміни групової швидкості світлового променя - фізики називають це «швидким» і «повільним» світлом, він потрібен для зберігання квантової інформації.
Фото: Laura Nagle /Flickr, Barta IV/Flickr
За матеріалами: Engineering at Illinois