Наука и Техника

Наука И Техника
1 февраля 2015

Ученые научились ускорять, замедлять и блокировать свет при помощи звука

Как можно заставить оптическое волокно пропускать свет только в одном направлении? Ответ на этот и несколько других подобных вопросов нашли исследователи из университета Иллинойса, которые использовали в своих целях явление индуцированной прозрачности на основе эффекта рассеивания Мандельштама-Бриллюэна (Brillouin Scattering Induced Transparency, BSIT). Оптическое волокно, в котором было вызвано это явление, беспрепятственно пропускало свет в одном направлении, полностью рассеивая при этом свет, движущийся в обратном направлении. Кроме этого, BSIT-явление позволило реализовать такие удивительные эффекты, как замедление или ускорение скорости движения импульсов света. Подобное нелинейное поведение оптического волокна может стать основой принципов работы новых оптических приборов, изоляторов, полупроводников и циркуляторов, которые являются частями базового набора компонентов для любого конструктора сложных оптических устройств.

Следует отметить, что продемонстрированная учеными реализация BSIT-явления весьма проста, в ней используется тончайшее стеклянное оптическое волокно и крошечная стеклянная сфера, расположенная в непосредственной близости от волокна.

"Свет с определенной длиной волны, перемещающийся по тонкому оптическому волокну, может поглощен микрорезонатором, в нашем случае крошечной стеклянной сферой, которая расположена практически рядом с волокном" - рассказывает Гаурав Баль (Gaurav Bahl), ученый из университета Иллинойса, - "Используя явление BSIT, мы можем управлять характеристиками микрорезонатора, делая прозрачной или непрозрачной систему в целом, или позволяя ей пропускать свет только в одном направлении".

В своем устройстве ученые заставили работать чрезвычайно слабые силы, возникающие в результате взаимодействия света с материей. Эти силы являются источником механических колебаний звуковой частоты с очень малой амплитудой, действующих в наноразмерной области. А использование некоторых принципов так называемой оптомеханики, эти крошечные силы могут быть увеличены на несколько порядков их величины, изменяя физику поведения и взаимодействия со светом частиц материала, жидкости или газа.

"Эффект BSIT происходит в результате взаимодействия света со звуковыми волнами, возникающими в материале резонатора под воздействием света луча управляющего лазера. Все это является абсолютно новым физическим эффектом, который никогда не наблюдался и изучался ранее, но который мы собираемся заставить работать на пользу людям".

Эффект BSIT может использоваться для уменьшения или увеличения скорости движения группы фотонов света, другими словами, импульса. Ученые физики называют такой свет "быстрым" или "медленным". Предметом наибольшего интереса является медленный свет, так как он может использоваться в качестве хранилища квантовой информации, в качестве буфера оптических систем, которые станут частью квантовых компьютеров будущего.

"Достаточно давно известно, что при помощи эффекта рассеивания Мандельштама-Бриллюэна можно получить быстрый и медленный свет" - рассказывает Гаурав Баль, - "Но созданное нами устройство имеет намного меньшие габариты и использует на порядки меньше энергии, чем все другие созданные ранее подобные устройства. Однако, для того, чтобы получить столь хорошие физические и оптические характеристики, нам пришлось пожертвовать шириной пропускания нашего устройства, другими словами, оно будет работать только со светом определенной длины волны".

Существующие оптические устройства, такие, как изоляторы и циркуляторы, создаются на базе магнитооптического эффекта Фарадея. Это требует использования магнитных полей для управления оптическими свойствами специальных материалов на основе ферромагнетиков. Несмотря на простоту реализации, использование магнитных полей и уникальных материалов делает невозможным создание оптических устройств в масштабах кристаллов чипов, и это является причиной почти полного отсутствия реализаций оптических систем-на-чипе.

"Нам же удалось создать оптическое устройство, не требующее никаких магнитов и не нуждающееся в специальных ферромагнитных материалах" -рассказывает Гаурав Баль, - "И такие устройства без ограничений могут изготавливаться на любых предприятиях, занимающихся производство оптических или электронных устройств".