На протяжении веков свет считался одной из самых быстрых и неуловимых сущностей во Вселенной. Его скорость составляет невообразимые 186 000 миль или около 300 000 километров в секунду. Из-за этого свет казался чем-то неподвластным, будто он находится вне человеческого контроля.
Но команда ученых из Института атомной и молекулярной физики (AMOLF) в Нидерландах смогла совершить то, что казалось невозможным – они обуздали свет и заставили его остановиться.
Их достижение стало кульминацией многолетних исследований в области управления световыми волнами. До этого ученые могли замедлять свет с помощью мощных магнитов и манипулировать отдельными электронами в двумерных материалах, имитируя эффекты магнитных полей. Однако команда AMOLF впервые применила уникальные свойства двумерных материалов для остановки света без использования магнитных полей.
Открытие было сделано при работе с фотонными кристаллами – двумерными материалами, состоящими из кремниевых атомов, соединенных по бокам в плоский лист с периодическими отверстиями. В обычном состоянии свет свободно перемещается через такую структуру, но ученые обнаружили, что деформация или скручивание фотонного кристалла приводит к созданию своеобразных “эффективных магнитных полей”.
Это явление, известное как “твистроника”, позволило получить те же эффекты, что и при воздействии настоящих магнитных полей, но без использования магнитов. При определенной деформации кристалла движение фотонов оказывалось заблокированным, что приводило к полной остановке света.
“Деформируя периодический массив отверстий в фотонном кристалле определенным образом, мы смогли создать уровни Ландау для фотонов и фактически заморозить их движение”, – объясняет Рене Барчик, ведущий автор исследования.
Открытие уровней Ландау для фотонов стало настоящим прорывом, так как ранее их удавалось наблюдать только для заряженных частиц, таких как электроны. Световые волны, не имея электрического заряда, оставались неподвластными этому феномену. Но двумерные фотонные кристаллы оказались идеальной средой для манипулирования фотонами.
“Играя с деформационными узорами, мы даже смогли создать различные типы эффективных магнитных полей в одном материале”, – добавляет Эволд Верхаген, руководитель группы ученых AMOLF. “В результате фотоны могли двигаться через определенные части материала, но не через другие. Таким образом, эти знания также дают новые способы управлять светом на чипах”.
Способность остановить свет открывает дверь для множества практических приложений, от систем наносенсорики и квантовых источников света до компактных лазеров и интегральных фотонных схем. По словам ученых, захваченные световые волны значительно усиливаются в интенсивности, что делает их более пригодными для манипуляций.
“Если мы можем удерживать свет в наномасштабе и останавливать его подобным образом, его интенсивность будет колоссально усилена, – подчеркивает Верхаген. – И не только в одной точке, но по всей поверхности кристалла. Такая концентрация света чрезвычайно важна для нанофотонных устройств, например, для создания эффективных лазеров или источников квантового света”.
Одним из наиболее очевидных применений является создание компактных и эффективных лазеров для электроники, медицины и телекоммуникаций. Обычные лазеры часто являются громоздкими и дорогостоящими устройствами. Но с помощью захваченного в фотонном кристалле света можно создавать источники лазерного излучения на чипе размером всего в несколько нанометров.
“Усиленное световое поле в кристалле может работать как активная среда для лазера, – поясняет Верхаген. – То есть это позволит получать лазерное излучение непосредственно из наноструктуры без использования дополнительных компонентов”.
Помимо практических применений, открытие уровней Ландау для фотонов представляет большой интерес и для фундаментальной науки. Это позволяет ученым исследовать совершенно новые оптические явления и режимы взаимодействия света с веществом, ранее считавшиеся невозможными.
Кроме того, управление световыми волнами на пути к полной остановке позволяет детально исследовать процесс замедления света и открывать новые возможности для хранения и передачи оптической информации. Ученые надеются, что в будущем свет можно будет не только остановить, но и полностью сохранить его состояние для последующей записи или считывания данных.
Хотя идея манипулировать световыми волнами путем деформации двумерных структур независимо возникла и у других научных групп, голландские исследователи приняли беспрецедентное решение – опубликовать свои работы в журнале Nature Photonics. Это подчеркивает важность их открытия для всего научного сообщества.
В то время как исследование все еще находится на фундаментальном этапе, перспективы управления светом с помощью двумерных материалов являются поистине революционными. Возможность обуздать самую быструю известную субстанцию открывает новую эру в развитии наноэлектроники, оптических вычислений и квантовых технологий. Команда AMOLF убедительно доказала, что даже неуловимый свет может быть поставлен под контроль благодаря инновационным подходам.
Читайте также: Широта, на которой стоит Великая пирамида совпадает со скоростью света
