Блог

Dec 08, 2023

Фотоны сталкиваются друг с другом — в зеркале времени

Обычно электромагнитные волны проходят друг через друга незаметно и незаметно. Заставить световые лучи замечать друг друга – непростая задача. Обычно ученым приходится уговаривать их взаимодействовать посредством

Обычно электромагнитные волны проходят друг через друга незаметно и незаметно. Заставить световые лучи замечать друг друга – непростая задача. Обычно ученым приходится уговаривать их взаимодействовать посредством сложных материалов. Теперь физики из Центра передовых научных исследований Городского университета Нью-Йорка (CUNY) разработали принципиально новый способ заставить световые лучи сталкиваться друг с другом — путем отражения их обоих в одном и том же зеркале во времени. Управляя светом с помощью света, команда также продемонстрировала возможности своей техники по формированию луча с возможным применением в телекоммуникациях и научных измерениях.

Команда продемонстрировала свою технологию зеркала времени еще в марте, но теперь они показали, что два противоположных световых импульса, попадающие в одно и то же зеркало времени, могут столкнуться друг с другом, как массивные объекты. Более того, исследователи могут контролировать тип происходящего столкновения. Как сообщают исследователи, световые импульсы могут упруго сталкиваться, как два бильярдных шара, отскакивающие друг от друга; неэластично, как два куска Silly Putty, ударяющиеся друг о друга и слипающиеся; или конструктивно, как два шарика с подпружиненными механизмами, споткнувшиеся при столкновении, разлетающиеся быстрее, чем сходящиеся.

«Вы можете решить, будет ли общая энергия в системе уменьшаться, расти или оставаться прежней». — Андреа Алу, CUNY

«Мы называем их столкновением фотонов, потому что это напоминает нам о том, как взаимодействуют два массивных объекта, когда они сталкиваются друг с другом», — говорит Андреа Алу, заслуженный профессор физики CUNY и старший автор исследования. «Что примечательно в этом временном интерфейсе, так это то, что если вы выберете момент, в который вы будете управлять им, вы сможете решить, будет ли общая энергия в системе уменьшаться, расти или оставаться прежней».

Чтобы создать зеркало времени, команда использовала специально разработанный метаматериал. Обычное зеркало образуется в результате резкого изменения показателя преломления между двумя материалами, в результате чего свет отражается на границе раздела. Точно так же зеркало времени образуется резким изменением показателя преломления, но во времени. Отраженный во времени свет по-прежнему движется в том же направлении, но назад — как звукозапись, воспроизводимая в обратном направлении.

Этот чип из метаматериала способен создавать зеркало времени для проходящих через него световых волн, позволяя двум световым волнам сталкиваться друг с другом. Шон Рея / Центр перспективных научных исследований CUNY

Исследователи создали это зеркало времени, используя извилистую линию передачи длиной 6 метров, напечатанную на чипе. Они подключили множество переключателей, соединили конденсаторы между линией передачи и землей через каждые 20 сантиметров, ближе друг к другу, чем одна длина волны света. Включив или выключив эти конденсаторы, они могли изменить показатель преломления материала всего за 3 наносекунды. «Внезапно кажется, что волна находится в совершенно другой среде», — говорит Алу.

Они посылали друг другу световые импульсы с обоих концов линии передачи и переключали показатель преломления в разные моменты времени. Изменяя степень перекрытия двух световых лучей во время переключения, они могли изменить природу столкновения — упругое, неупругое или конструктивное.

Более того, выбрав форму одного из световых лучей и время переключения, исследователи могли эффективно изменить форму другого луча в соответствии со своими потребностями. Они продемонстрировали стирание участка светового сигнала и укорочение импульса. Поскольку временной интерфейс работает в огромном диапазоне частот, этот метод можно использовать для формирования широкополосного света; это очень полезно для беспроводной связи. Способность формировать световые импульсы во все более короткие вспышки также имеет большие перспективы для сенсорных и измерительных приложений.

В настоящее время команда работает над распространением этого метода на режимы видимого и инфракрасного света. Они ожидают, что эффект взаимодействия волн сохранится в огромном диапазоне настроек. «В принципе, с помощью этой техники можно уничтожить [электромагнитное] цунами. К вам приближается цунами, а затем вы посылаете против него волну», — говорит Алу. «Конечно, нужно правильно его сформировать. И вы должны сделать так, чтобы этот переход состоялся, но вы можете полностью подавить волны, идущие к вам».