Кіріспе
Жарық жылдамдығынан едәуір төмендеген импульс. Баяу жарық – оптикалық импульстің немесе оптикалық тасымалдаушының өте төмен топтық жылдамдықпен модуляциялануы. Баяу жарық, оның таралу ортасымен өзара әрекеттесуі нәтижесінде импульстің едәуір баяулауымен пайда болады. Вакуумдағы c жарық жылдамдығынан төмен топтық жылдамдықтар 1880 жылға дейін мүмкін екені белгілі болған, бірақ 1991 жылға дейін оны тиімді пайдалануға қол жеткізілмеді. Стивен Харрис және оның әріптестері тұтқындалған стронций атомдарында электромагниттік түрде туындаған мөлдірлікті көрсетті. 1995 жылы жарық жылдамдығы 165 есе төмендегені туралы хабарланды. 1998 жылы Дания физигі Лене Вестергаард Хау Гарвард университеті мен Роуленд ғылым институтының бірлескен тобын басқарды, олар жарықтың топтық жылдамдығын одан да төмендетті. Олар жарық сәулесін секундтына шамамен 17 метрге дейін баяулата алды. 2004 жылы Беркли университетінің зерттеушілері жартылай өткізгіште баяу жарықты көрсетті, оның топтық жылдамдығы секундтына 9,6 километрге жетті. Кейін Хау және оның әріптестері жарықты толығымен тоқтатуға қол жеткізіп, оны тоқтатып, кейін қайта іске қосу әдістерін әзірледі. 2005 жылы IBM жарықты баяулататын, стандартты материалдардан жасалған микрочип құрды, бұл оның коммерциялық қолданылуына мүмкіндік берді.
Slow light is the propagation of an optical pulse or other modulation of an optical carrier at a very low group velocity. Slow light occurs when a propagating pulse is substantially slowed by the interaction with the medium in which the propagation takes place. Group velocities below the speed of light in vacuum c were known to be possible as far back as 1880, but could not be realized in a useful manner until 1991, when Stephen Harris and collaborators demonstrated electromagnetically induced transparency in trapped strontium atoms. Reduction of the speed of light by a factor of 165 was reported in 1995. In 1998, Danish physicist Lene Vestergaard Hau led a combined team from Harvard University and the Rowland Institute for Science which realized much lower group velocities of light. They succeeded in slowing a beam of light to about 17 meters per second. In 2004, researchers at UC Berkeley first demonstrated slow light in a semiconductor, with a group velocity 9.6 kilometers per second. Hau and her colleagues later succeeded in stopping light completely, and developed methods by which it can be stopped and later restarted. In 2005, IBM created a microchip that can slow light, fashioned out of fairly standard materials, potentially paving the way toward commercial adoption.
Өмірбаян
Жарық материал арқылы өтетін кезде, вакуумдық жылдамдықтан баяу жылдамдықпен қозғалады. Бұл жарықтың фазалық жылдамдығының өзгеруі болып табылады және сыну сияқты физикалық эффектілерде көрінеді. Жылдамдық төмендеуі c және фазалық жылдамдық арақатынасымен сипатталады. Бұл арақатынас материалдың сындыру көрсеткіші деп аталады. Баяу жарық – жарықтың фазалық емес, топтық жылдамдығының айтарлықтай төмендеуі. Баяу жарық эффектісі, төменде сипатталатын жайларға, тым жоғары сындыру көрсеткіштеріне байланысты емес. Классикалық физикада жарық электромагниттік өрістегі толқын немесе бұзылыс ретінде қарастырылады. Вакуумда Максвелл теңдеулері осы бұзылыстардың c символымен белгіленетін белгілі бір жылдамдықпен қозғалатынын болжайды. Бұл жақсы таныс физикалық тұрақты көбінесе жарық жылдамдығы деп аталады. Барлық инерциялық есептесу жүйелерінде жарық жылдамдығының тұрақтылығы постулаты арнайы салыстырмалылық теориясының негізінде жатыр және «жарық жылдамдығы әрқашан бірдей» деген кең таралған түсінікке әкелді. Дегенмен, көп жағдайларда жарық электромагниттік өрістегі бұзылыстан гөрі күрделірек нәрсе. Ортада қозғалатын жарық электромагниттік өрістің ғана емес, сонымен қатар материалдағы зарядталған бөлшектердің (электрондардың) орналасуы мен жылдамдықтарының бұзылысы болып табылады. Электрондардың қозғалысы өріспен анықталады (Лоренц күші арқылы), ал өріс электрондардың орналасуы мен жылдамдықтарымен анықталады (Гаусс заңы және Ампер заңы арқылы). Осы біріктірілген электромагниттік заряд тығыздығы өрісінің (яғни жарықтың) бұзылуының мінез-құлқы әлі де Максвелл теңдеулерімен анықталады, бірақ орта мен өріс арасындағы тығыз байланыс салдарынан шешімдер күрделі. Материалдағы жарықтың мінез-құлқын түсінуді жеңілдету үшін зерттелетін бұзылу түрлерін уақыт бойынша синусоидальды функциялармен шектеу жеткілікті. Мұндай бұзылулар үшін Максвелл теңдеулері алгебралық теңдеулерге айналады және оңай шешіледі. Бұл ерекше бұзылулар c-ден төмен жылдамдықпен материал арқылы таралады, бұл фазалық жылдамдық деп аталады. c және фазалық жылдамдық арақатынасы материалдың сындыру көрсеткіші немесе сыну индексі (n) деп аталады. Сындыру индексі берілген материал үшін тұрақты шама емес, температураға, қысымға және (синусоидальды) жарық толқынының жиілігіне байланысты өзгереді. Соңғысы дисперсия деп аталатын эффектіге әкеледі. Адам көзі синусоидальды бұзылудың қарқындылығын жарықтың жарықтығы ретінде, ал жиілігін – түсі ретінде қабылдайды. Егер жарық белгілі бір уақытта қосылса немесе өшірілсе немесе басқаша модуляцияланса, онда синусоидальды бұзылудың амплитудасы да уақытқа тәуелді болады. Уақыт бойынша өзгеретін амплитуда фазалық жылдамдықпен емес, топтық жылдамдықпен таралады. Топтық жылдамдық тек материалдың сындыру көрсеткішіне ғана емес, сонымен қатар сындыру көрсеткішінің жиілікке қатысты өзгеруіне (яғни сындыру көрсеткішінің жиілік бойынша туындысына) де байланысты. Баяу жарық – жарықтың өте төмен топтық жылдамдығын білдіреді. Егер сындыру индексінің дисперсиялық қатынасы индекстің жиіліктің кішкентай диапазонында тез өзгеруіне мүмкіндік берсе, онда топтық жылдамдық өте төмен болуы мүмкін, c-ден мыңдаған немесе миллион есе аз, тіпті сындыру индексі әдеттегі мәнге ие болса да (әйнектер мен жартылай өткізгіштер үшін 1,5 пен 3,5 арасында).
Дайындық
Жарықтың баяулауын тудыратын көптеген механизмдер бар, олардың бәрі де дисперсия қатынасындағы өрбулер, яғни жоғары дисперсиялы тар спектрлік аймақтарды құрайды. Схемалар көбінесе екі санатқа бөлінеді: материалдық дисперсия және толқын жетекші дисперсия.
Материалдың таралуы
Электромагниттік индукцияланған мөлдірлік (ЭМТ), когерентті популяциялық тербеліс (КПТ) және әр түрлі төрт толқынды араластыру (FWM) схемалары сияқты материалдық дисперсия механизмдері оптикалық жиілікке байланысты сыну индексінің күрт өзгеруін қамтамасыз етеді, яғни олар таралатын толқынның уақыт компонентін өзгертеді. Бұл ортаның сигнал немесе "пробалық" өріске дипольдік жауабын өзгерту үшін сызықтық емес әсерді пайдалану арқылы жүзеге асырылады. Қызыл және көк жиектеріндегі фотондық кристалдар, біріктірілген резонаторлық оптикалық толқын жетектері (CROW) және басқа микрорезонаторлық құрылымдар сияқты дисперсиялық механизмдер таралатын толқынның кеңістіктік компонентін (k векторын) өзгертеді.
Толқын жетектерінің дисперсиясы
Ауаның баяулауына, сондай-ақ, бір теріс метаматериалдармен (SNM) немесе екі теріс метаматериалдармен (DNM) жасалған жазық толқын жетектерінің дисперсиялық қасиеттерін пайдалану арқылы да қол жеткізуге болады. Баяу жарық схемаларының негізгі көрсеткіші – жолақтық кешігу көбейтіндісі (BDP). Көптеген баяу жарық схемалары берілген құрылғы ұзындығы үшін (ұзындығы / кешігу = сигнал жылдамдығы) жолақтың ені есебінен кез келген қалаған кешігуді ұсынуы мүмкін. Осы екеуінің көбейтіндісі шамамен тұрақты. Бұған қатысты көрсеткіш – бұл қалыптық кешігу, импульстің кешіктірілген уақыты импульстің жалпы ұзақтығына бөлінген. Плазмондардың тудырған мөлдірлігі – EIT-тің аналогы – әртүрлі резонанстық режимдер арасындағы деструктивті интерференцияға негізделген тағы бір тәсілді ұсынады. Жақында жасалған зерттеулер бұл әсерді 0,40 ТГц-тен аспайтын жиілік диапазонында кең мөлдірлік терезесінде көрсетті.
Көркем шығармаларда
Морис Ренардың "Le maître de la lumière" (Жардың шебері, 1933) романындағы "люминат" сипаттамасы, баяу жарық туралы алғашқы айтылған сөздердің бірі болуы мүмкін. Бұл терезелердің құрамындағы материал жарықты су арқылы өтетіндей баяулатады. Жақсы білесің, Перон, дыбыс, мысалы, металл құбыр сияқты қатты зат арқылы, қарапайым кеңістік арқылы қарағанда жылдам естіледі. Перон, бұл құбылыстардың бәрі бір топқа жатады! Міне, шешімі. Бұл шыны қабаттар жарықтың жылдамдығын қатты баяулатады, сондықтан оны жүз жылға баяулату үшін салыстырмалы түрде жұқа ғана қабат жеткілікті. Бұл материал арқылы жарық сәулесінің өтуіне жүз жыл қажет! Оның тереңдігінің жүзден бір бөлігінен өтуіне бір жыл уақыт керек. Баяу жарық тақырыбына арналған кейінгі туындылар төменде келтірілген. Баяу жарық эксперименттері Дейв Эггерстің "Сіз біздің жылдамдығымызды білесіз" (2002) романында айтылады, онда жарық жылдамдығы "жексенбілік серуен" деп сипатталған. Терри Пратчеттің романдарының оқиғасы орын алатын Диск әлемінде, жарық сағатына небары жүз шақырым жылдамдықпен қозғалады, себебі Диск әлемінің "керемет күшті" сиқырлы өрісі бар. "Баяу шыны" - Боб Шоудың "Басқа күндердің жарығы" (Analog, 1966) әңгімесінде және одан кейінгі бірнеше әңгімелерде кездесетін ойдан шығарылған материал. Бұл шыны жарықты жылдар немесе ондаған жылдарға кешіктіреді, одан қала тұрғындары, су асты кемелері мен түрмедегілер "тікелей" табиғат көріністерін тамашалай алатын терезелер жасауға болады. "Баяу шыныда" жарықтың кешігуіне себеп – фотондардың шыныдағы әрбір атомның тартым радиусынан тысқары спиральды туннель арқылы өтуі. Шоу кейіннен әңгімелерді "Басқа күндер, басқа көздер" (1972) романына өңдеді. "Slow Light" (2022) – Kijek/Adamski есімді режиссерлердің екі анимациялық техниканы қолданған қысқаметражды фильмі. Бұл соқыр болып туған, жеті жасында жарықты көре бастаған баланың әңгімесі. Медициналық тексеру оның көзінің тым тығыз екенін көрсетті. Көздің бұл ақауы адамның ақыл-ойының жетілмеуіне, қазіргі уақытты түсінбеуіне және өткен оқиғалар туралы ойлардың кешігуіне әкеледі. Ол жасына сай жетілмейді және үнемі өткенге қайта оралады. Valve компаниясының "Half Life 2" FPS ойынының түпнұсқа саундтрегінде "Slow Light" атты ән бар. Бұл саундтректегі көптеген әндер де "Brane Scan" және "Dark energy" сияқты физикалық құбылыстарға сілтеме жасайды.