Все знают, что свет переносит сигналы с максимально возможной в природе скоростью, почти 300 000 км/с. Правда, в любой прозрачной среде световые волны распространяются несколько медленней (в 1,33 раза в воде, в 1,5−2 раза в стекле и пластмассе, в 1,0003 раза в атмосферном воздухе).
Стекло, которое замедляет свет
«Медленное стекло... Хотела бы я понять, что с тобой случилось, Элбан. По телефону ты заявил, что принесешь кусок стекла в два миллиона миль толщиной. – Он и есть в два миллиона миль толщиной – по крайней мере, для луча света, – Гаррод понимал, что выбрал неверный подход, но понятия не имел, как исправить положение. – Иными словами, толщина этого куска стекла почти одиннадцать световых секунд». Боб Шоу, «Свет былого»

Даже в алмазе, который превосходит все природные материалы по величине коэффициента преломления, скорость света равна 125 000 км/с. Ученые полагали, что снизить ее еще больше вряд ли возможно. Однако за последние годы физики смогли замедлить свет… вплоть до полной остановки. В 1999 году гарвардские исследователи произвели мировую сенсацию, сообщив, что облучение лазером почти непрозрачного сверххолодного газа из атомов натрия в состоянии бозе-эйнштейновского квантового конденсата заставляет его пропускать свет со скоростью в 17 м/с.

До полной остановки

Руководитель эксперимента Лене Вестергаард Хау назвала это достижение результатом на грани возможного, но вскоре пошла еще дальше. В 2001 году ее группа на короткое время сначала полностью заморозила свет внутри такого же конденсата, а потом высвободила его для дальнейшего движения. Задержка составила лишь одну миллисекунду, но спустя восемь лет гарвардские физики смогли задержать свет дольше, чем на секунду.

В этом нет никакой мистики. В вакууме световые волны невозможно ни остановить, ни даже чуточку замедлить. Однако профессор Хау и ее коллеги измеряли скорости миллисекундных лазерных вспышек, скомпонованных из монохроматических волн разной частоты. При наложении друг на друга эти волны частично гасятся и частично усиливаются, в результате чего формируется короткий световой импульс, или, как говорят физики, волновой пакет. Если он движется через вакуум, все его компоненты имеют одинаковую фазовую скорость, которая есть скорость самого пакета. Однако внутри любой среды фазовая скорость зависит от частоты (известное из школьного курса физики явление дисперсии). В итоге пакет перемещается со своей собственной скоростью (ее называют групповой), которая совсем не обязана совпадать с фазовыми скоростями составляющих его волн. Бозе-эйнштейновский конденсат принадлежит к числу сред с очень сильной дисперсией и потому может замедлить световые импульсы во многие миллионы раз. Аналогичной способностью обладают некоторые менее экзотические среды, такие как горячий атомный пар и оптические волокна, допированные атомами эрбия.

Замороженный свет может хранить и переносить информацию, что также доказали Лене Хау и ее сотрудники. В 2007 году они пленили лазерную вспышку в бозе-эйнштейновском конденсате, а потом перенесли его атомы в другой такой же конденсат. Когда его облучили лазером и сделали оптически прозрачным, он породил световой сигнал — точную копию исходного лазерного импульса.


Нанофотоника

Экзотические среды, замедляющие свет, хороши для лабораторных исследований, однако если всерьез вести разговор о световых компьютерах, требуется нечто иное — компактное и работающее при комнатных температурах. Этим условиям удовлетворяют наноматериалы, структура которых характеризуется периодическим изменением показателя преломления в пространственных направлениях, то есть представляющие собой трехмерные дифракционные решетки. Они называются фотонными кристаллами (ФК). Показатель преломления ФК для какой-либо длины волны определяется не материалом, из которого он сделан, а зависит от параметров наноструктуры. Изменяя эти параметры, можно, по аналогии с электроникой, получить для света ФК-проводники, изоляторы (отражающие свет) или даже полупроводники. Показатель преломления ФК может быть огромным — 100−1000 и выше, и во столько же раз можно замедлить в нем скорость распространения световых импульсов.


Фантастика

Методы получения медленного света давно уже опробованы научной фантастикой. Пионером в этом деле был американский классик Лайон Спрэг де Камп. Профессор Айра Метьюэн, герой опубликованной в 1940 году новеллы The Exalted (в русском переводе «Медведь в колледже»), смог с помощью электромагнитного излучения (!) в квадриллионы раз увеличить коэффициент преломления стержня из оптического стекла. Метьюэн даже был способен в течение часов собирать световую энергию внутри стержня и высвобождать ее за малую долю секунды — это уже что-то вроде твердотельного лазера с оптической накачкой. Еще один пример — удостоенный премии «Небьюла» рассказ Боба Шоу «Свет былого» (Light of Other Days, 1966), где «медленное стекло» с еще большим коэффициентом преломления пропускает изображения, задерживая их в себе на долгие годы. К сожалению, оба автора не обратили внимания на то, что стекло со столь исполинским коэффициентом преломления было бы совершенно непрозрачным, поскольку практически полностью отражало бы падающий свет. Фантастам не повезло и со снижением этого коэффициента. Человек-невидимка Уэллса после исчезновения преломляющей способности тканей своего организма — и, следовательно, хрусталиков обоих глаз! — просто бы ослеп.

В 2005 году ученые из Исследовательского центра IBM им. Уотсона предложили способ управлять показателем преломления ФК, замедляя или ускоряя прохождение световых импульсов «по требованию». Их система представляет собой кремниевый фотонно-кристаллический волновод, в котором групповая скорость распространения светового импульса более чем в 300 раз меньше скорости света в вакууме. Если же с помощью боковых электродов пропустить электрический ток через ФК, он нагревается и изменяет свои параметры, тем самым изменяя скорость прохождения импульса.

…И не только

Фантастика фантастикой, но методы замедления света представляют несомненный интерес для фотоники. Они создают новую возможность манипулирования световыми импульсами с обширным спектром практических применений. Предположим, что на вентиль оптоволоконной системы одновременно поступает пара световых сигналов с многобитной информацией. Чтобы они не мешали друг другу, один сигнал можно задержать на входе с помощью светозамедляющего устройства (что вполне возможно уже сейчас). По всей вероятности, такие устройства станут применять для хранения и извлечения информации, в частности, в оптических компьютерах. Этим способом можно резервировать даже спутанные фотоны, что в 2008 году экспериментально показали физики из Калтеха. Не исключено, что все эти «результаты на грани возможного» — первый шаг к информационным технологиям недалекого будущего.

Статья «Медленный свет» опубликована в журнале «Популярная механика» (№12, Декабрь 2012).