Введение
Импульс, скорость которого существенно снижена до величины, меньшей скорости света. Замедленный свет – это распространение оптического импульса или другой модуляции оптической несущей с очень низкой групповой скоростью. Замедленный свет возникает, когда распространяющийся импульс существенно замедляется при взаимодействии со средой, в которой происходит распространение. Групповые скорости, меньшие скорости света в вакууме c, были известны как возможные еще в 1880 году, но их практическая реализация стала возможной только в 1991 году, когда Стивен Харрис и его коллеги продемонстрировали электромагнитно-индуцированную прозрачность в захваченных атомах стронция. В 1995 году было сообщено о снижении скорости света в 165 раз. В 1998 году датский физик Лене Вестергаард Хау возглавила совместную группу из Гарвардского университета и Научного института Роуленда, которой удалось добиться значительно более низких групповых скоростей света. Им удалось замедлить световой луч до примерно 17 метров в секунду. В 2004 году исследователи из Калифорнийского университета в Беркли впервые продемонстрировали замедленный свет в полупроводнике с групповой скоростью 9,6 километров в секунду. Позже Хау и ее коллеги смогли полностью остановить свет и разработали методы для его остановки и последующего возобновления распространения. В 2005 году компания IBM создала микрочип, способный замедлять свет, изготовленный из достаточно стандартных материалов, что потенциально открывает путь к его коммерческому применению.
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.
Предыстория
Когда свет распространяется в веществе, он движется медленнее скорости света в вакууме, [[Скорость света#Численное значение, обозначение и единицы измерения]. Это изменение фазовой скорости света, которое проявляется в физических эффектах, таких как преломление. Это уменьшение скорости количественно определяется отношением между *c* и фазовой скоростью. Это отношение называется показателем преломления вещества. Замедленный свет – это резкое уменьшение групповой скорости света, а не фазовой. Эффекты замедленного света не связаны с аномально большими показателями преломления, как будет объяснено ниже. Самое простое представление о свете, данное классической физикой, – это волна или возмущение в электромагнитном поле. В вакууме уравнения Максвелла предсказывают, что эти возмущения будут распространяться с определенной скоростью, обозначаемой символом *c*. Эта хорошо известная физическая константа обычно называется скоростью света. Постулат о постоянстве скорости света во всех инерциальных системах отсчета лежит в основе специальной теории относительности и породил распространенное представление о том, что "скорость света всегда одинакова". Однако во многих ситуациях свет – это нечто большее, чем просто возмущение электромагнитного поля. Свет, распространяющийся в среде, является не просто возмущением исключительно электромагнитного поля, а скорее возмущением поля и положений и скоростей заряженных частиц (электронов) в веществе. Движение электронов определяется полем (в силу силы Лоренца), но поле определяется положениями и скоростями электронов (в силу закона Гаусса и закона Ампера). Поведение возмущения этого объединенного электромагнитного поля и плотности заряда (то есть света) по-прежнему определяется уравнениями Максвелла, но решения усложняются из-за тесной связи между средой и полем. Понимание поведения света в веществе упрощается путем ограничения изучаемых возмущений синусоидальными функциями времени. Для этих типов возмущений уравнения Максвелла преобразуются в алгебраические уравнения и легко решаются. Эти особые возмущения распространяются в веществе со скоростью, меньшей *c*, называемой фазовой скоростью. Отношение между *c* и фазовой скоростью называется показателем преломления или коэффициентом преломления вещества (*n*). Показатель преломления не является постоянной величиной для данного вещества, а зависит от температуры, давления и частоты (синусоидальной) световой волны. Последнее приводит к эффекту, называемому дисперсией. Человеческий глаз воспринимает интенсивность синусоидального возмущения как яркость света, а частоту – как цвет. Если свет включается или выключается в определенный момент времени или иным образом модулируется, то амплитуда синусоидального возмущения также изменяется во времени. Изменяющаяся во времени амплитуда распространяется не с фазовой скоростью, а с групповой скоростью. Групповая скорость зависит не только от показателя преломления вещества, но и от того, как показатель преломления изменяется с частотой (то есть от производной показателя преломления по частоте). Замедленный свет относится к очень низкой групповой скорости света. Если дисперсионная зависимость показателя преломления такова, что показатель быстро меняется в небольшом диапазоне частот, то групповая скорость может быть очень низкой, в тысячи или миллионы раз меньше *c*, даже если показатель преломления остается типичным значением (от 1,5 до 3,5 для стекол и полупроводников).
Подготовка
Существует множество механизмов, способных генерировать медленный свет, все они создают узкие спектральные области с высокой дисперсией, то есть пики в зависимости дисперсии от частоты. Эти схемы обычно разделяют на две категории: дисперсия материала и дисперсия волновода.
Рассеивание материала
Механизмы дисперсии материала, такие как электромагнитно индуцированная прозрачность (EIT), когерентная популяционная осцилляция (CPO) и различные схемы смешивания четырех волн (FWM), приводят к быстрому изменению показателя преломления в зависимости от оптической частоты, то есть они модифицируют временную составляющую распространяющейся волны. Это достигается за счет использования нелинейного эффекта для изменения дипольного отклика среды на сигнальное или "зондирующее" поле. Дисперсионные механизмы, такие как фотонные кристаллы на красном и синем краях спектра, волноводы с объединенными резонаторами (CROW) и другие микрорезонаторные структуры, модифицируют пространственную составляющую (k-вектор) распространяющейся волны.
Дисперсия волновода
Медленный свет также может быть достигнут за счет использования дисперсионных свойств планарных волноводов, реализованных на основе одноотрицательных метаматериалов (SNM) или двухотрицательных метаматериалов (DNM). Основным параметром оценки эффективности схем замедления света является произведение задержки на полосу пропускания (BDP). Большинство схем замедления света способны обеспечить произвольно большую задержку для заданной длины устройства (длина/задержка = скорость сигнала), но при этом происходит уменьшение полосы пропускания. Произведение этих двух величин остается приблизительно постоянным. Другим важным параметром оценки является относительная задержка – время задержки импульса, деленное на общую длительность импульса. Плазмон-индуцированная прозрачность, являющаяся аналогом ЭИТ, представляет собой альтернативный подход, основанный на деструктивной интерференции между различными резонансными модами. Недавние исследования продемонстрировали этот эффект в широком окне прозрачности в диапазоне частот, превышающем 0,40 ТГц.
В художественной литературе
Описание "люминита" в романе Мориса Ренарда "Мастер света" (1933) может быть одним из самых ранних упоминаний о замедленном свете. Эти оконные стекла имеют состав, благодаря которому свет замедляется так же, как при прохождении через воду. Вы хорошо знаете, Перон, как звук можно услышать быстрее, например, через металлический трубопровод или какое-либо другое твердое тело, чем через пустое пространство. Что ж, Перон, все это – явления одного порядка! Вот решение. Эти стеклянные панели замедляют свет с невероятной скоростью: для замедления света на сто лет достаточно относительно тонкого листа. Чтобы луч света прошел сквозь этот кусок материи, потребуется сто лет! Для прохождения одной сотой части этой глубины потребуется год. Ниже приведены последующие художественные произведения, затрагивающие тему замедленного света. Эксперименты с замедленным светом упоминаются в романе Дэйва Эггерса "Ты узнаешь нашу скорость" (2002), где скорость света описывается как "воскресная прогулка". В Мире Диска, где происходит действие серии романов Терри Пратчетта, свет движется всего на несколько сотен миль в час из-за "удручающе сильного" магического поля Мира Диска. "Медленное стекло" – вымышленный материал в рассказе Боба Шоу "Свет иных дней" (Analog, 1966) и нескольких последующих рассказах. Это стекло, задерживающее прохождение света на годы или десятилетия, используется для создания окон, называемых "сценодомами", позволяющих горожанам, подводникам и заключенным наблюдать "живые" сельские пейзажи. "Медленное стекло" – это материал, в котором задержка прохождения света через стекло объясняется тем, что фотоны проходят "через спиральный туннель, свернутый за пределами радиуса захвата каждого атома в стекле". Позже Шоу переработал эти рассказы в роман "Другие дни, другие глаза" (1972). "Замедленный свет" (2022) – короткометражный фильм, снятый Kijek/Adamski с использованием двух техник анимации. Это история о мальчике, который родился слепым и внезапно, в возрасте семи лет, увидел свет. Медицинское обследование показало, что его глаза настолько плотные, что свету требуется семь лет, чтобы достичь сетчатки, а значит, и чтобы образ достиг его сознания. Последствия этого дефекта зрения проявляются в умственной незрелости человека, непонимании настоящего и запоздалых размышлениях о давно минувших событиях. Мужчина никогда не достигает зрелости для своего возраста и постоянно зацикливается на прошлом. В FPS-игре Valve "Half-Life 2" в оригинальном саундтреке есть песня под названием "Slow Light". Многие другие песни в этом саундтреке также отсылают к физическим явлениям, таким как "Brane Scan" и "Темная энергия".