Радуга взаперти

Ученые придумали, как легко остановить свет при нормальной температуре

Учёные придумали, как поймать свет в ловушку. Используя лишь недавно созданные материалы, отклоняющие свет в направлении, прямо противоположном обычному, можно замедлить свет при обычной температуре. Это позволит многократно увеличить скорость работы компьютеров и волоконных сетей.

Профессор Ортвин Гесс и его аспирант Космас Тсакмакидис из британского Университета Суррея в сотрудничестве с профессором Стэндфордского университета Аланом Борадманом разработали концепцию замедления остановки и захвата света при помощи метаматериалов с отрицательным показателем преломления света. Эта технология в будущем должна позволить использовать свет вместо электронов в запоминающих устройствах и увеличить на несколько порядков быстродействие компьютеров.

Главным образом это будет достигаться за счет использования целого спектра волн видимого света вместо единственного заряда электрона — куда как более бедного параметра.

Замедление света также приведет к значительному увеличению скорости работы телекоммуникационных сетей и всемирной паутины. Главные коммутационные узлы интернета, в которых одновременно сходится множество интенсивных потоков обмена данными, гораздо удобнее контролировать с помощью света, замедляя передачу одних данных и ускоряя тем самым передачу других. Такой способ контроля трафика похож на принцип работы автотрасс с динамической разметкой, позволяющей оптимизировать поток автомобилей в разных направлениях в зависимости от наплыва автолюбителей.

Достижение Гесса не ново в своем роде: успешные эксперименты по замедлению и остановке света уже были проведены разными научными группами несколько лет назад. Однако эти эксперименты являлись крайне дорогостоящими, подразумевали использование экстремально низких температур и, кроме того, были настроены на работу со световыми волнами строго определенной длины.

Новая технология, предложенная британскими специалистами, лишена этих недостатков, так как подразумевает использование метаматериалов , обладающих отрицательным показателем преломления световых волн. На сегодняшний день получены метаматериалы, имеющие отрицательный показатель преломления.

Эффект Гуса – Хенхена

часто наблюдается при возникновении эффекта полного внутреннего отражения в волноводах. Такие волноводы состоят из двух материалов, образующих сердечник и его оболочку. Оболочка имеет меньший показатель преломления светового луча, нежели сердечник. Поэтому, при определенном угле падения света на разделяющую световод и оболочку поверхность возникает эффект полного внутреннего отражение луча, имеющего достаточно большой угол падения.

С эффектом полного внутреннего отражения многие из нас знакомы еще со школьной скамьи. Он заключается в том, что луч света, ударившись о поверхность, полностью отражается от не и не преломляется в материале оболочки. На самом же деле световая волна в ходе зигзагообразного распространения по оптически более плотному световоду проникает и в оболочку, однако в случае полного отражения, она распространяется там только в ограниченном по толщине участке, близком к поверхности, так как в этом случае является затухающей.

Этот феномен может быть описан как увеличение эффективной толщины светопроводящего сердечника имеющего плоскость отражения света, смещенную в объем материала оболочки. Если же рассматривать отражение света от реальной границы сердечник-оболочка, то можно наблюдать сдвиг отраженного пучка. Этот сдвиг и носит название эффекта Гуса – Хенхена.

Вторая составляющая технологии — использование эффекта Гуса — Хенхена: луч света, отражающийся от границы раздела двух сред, на самом деле чуть-чуть заходит внутрь отражающей поверхности, так что отражённый луч немножко «соскальзывает» вдоль границы по направлению распространения луча.

В случае метаматериалов с отрицательным показателем преломления эффект Гуса – Хенхена приводит к тому, что свет вдоль поверхности раздела между такими материалами распространяется не в направлении падения луча, а в обратном.

Гипотеза профессора Гесса заключается в том, что стеклянный конус, покрытый двумя слоями подходящих метаматериалов с отрицательным показателем преломления, полностью остановит поток белого света, запущенный в такую призму со стороны основания в некоем месте между острием конуса и его базой. Так как различные световые волны, составляющие спектр белого, имеют разные частоты, то каждая индивидуальная волна будет остановлена в определенном участке призмы.

Таким образом, наблюдатель сможет увидеть радугу, «запертую» в стеклянном конусе.

Метаматериалы

искусственно созданные композитные материалы со свойствами, не встречающимися у природных материалов. В частотности, современные метаматериалы имеют отрицательные коэффициенты преломления света, отрицательную магнитную и диэлектрическую проницаемость. Создатели метаматериалов добились таких необычайных свойств, организовав в их объеме особый порядок распределения компонентов на микроуровне. В частности, недавно полученный метаматериал, с отрицательным коэффициентом преломления света имеет слоистую структуру, сочетающую в себе различные полупроводниковые материалы.

Метаматериалы с отрицательным индексом преломления, позволяющие гибко контролировать световые потоки вопреки законам линейной оптики, являются структурами, несущими в себе металлические частицы, по размерам не превышающие длины волн видимого диапазона. Такие метаматериалы уже были успешно продемонстрированы научному сообществу в применении к терагерцовому диапазону колебаний и инфракрасному спектру.

Получение материалов, имеющих отрицательный показатель преломления во всем видимом диапазоне, по всеобщему признанию уже не за горами.

Сам Гесс весьма оптимистично смотрит в будущее и отмечает, что его теория «запертой радуги» сулит метаматериалам широчайшее применение. Они могут быть успешно использованы для долгожданной реализации концепции «оптического конденсатора», управления и хранения информации, создания новых алгоритмов вычислений для ЭВМ будущего, компьютерных сетей и так далее. «Газета.Ru» будет следить за успехами в этом направлении.