Замороженный свет

Не разобранное
Administrator
1 072
19-08-2017, 22:53
0

Каждый знает, что скорость света - одно из непоколебимых свойств Вселенной. Она составляет примерно 300000 км/с в вакууме. В различных веществах скорость света меньше, например, в воде она составляет 75% от скорости в вакууме. Больше всего замедляется свет в алмазе - в 2,4 раза! Но это предел.

Группа исследователей из США под руководством Л.В.Гау* (Кембридж, шт.Массачузетс) поставила себе цель замедлить скорость света в миллионы раз и даже до полной остановки. Реализация этой идеи позволила бы открыть совершенно неожиданные возможности в области телекоммуникаций, хранения информации и ряде других приложений.

Такие условия торможения были созданы в облаке атомов натрия сигарообразной формы длиной 0,2 мм и диаметром 0,05 мм, помещенном в магнитное поле и охлажденном до температуры в одну миллионную долю градуса (практически до абсолютного нуля). Натрий является одновалентным металлом, это означает, что на внешней орбите атома этого металла находится только один электрон. Этот электрон может занимать множество разных орбит вокруг ядра. Например, если он находится на самой низкой орбите, то захватив фотон света, электрон перемещается на более высокую орбиту, причем величина этого перемещения зависит от энергии фотона, а значит, от длины волны света.

Кроме того, такой электрон и ядро атома являются магнитом (как крошечная магнитная стрелка). Направление этой стрелки ассоциируют со спином атома, при одном направлении этой стрелки говорят о согласованном спине, при другом - об антисогласованном. В своих экспериментах исследователи выделили три состояния атома натрия: состояние 1 - электрон на самой низкой орбите, спин анитисогласованный; состояние 2 - электрон на самой низкой орбите, спин согласованный (при этом энергия атома слегка больше); состояние 3 - электрон на высокой орбите, энергия атома при этом в 300000 раз больше. Кстати, переход электрона из состояния 3 в состояния 1 и 2 сопровождается излучением фотона (в этом причина яркой желтой линии в спектре натрия).

В указанное облако атомов натрия посылался импульс света от лазера с тщательно подобранной частотой. При этом атомы натрия дружно переходили из состояния 1 в состояние 3. Через короткое время они возвращались в состояние 1, переизлучая фотоны, но хаотически во времени и в разных направлениях. Облако натрия загоралось желтым светом, но информация о первоначальном импульсе лазера терялась.

Чтобы избежать этого, исследователи использовали открытое в 1992 г. группой Харриса из Стенфордского университета явление электромагнитно-управляемой прозрачности. При этом луч лазера со специально подобранной частотой может изменять прозрачность облака атомов натрия для света другой частоты от непрозрачного как стена до прозрачного как стекло состояния. Луч лазера с такой частотой назывался индуцирующим лучом.

Частота индуцирующего луча как раз и подбиралась так, чтобы использовать энергетическую разность между состояниями 2 и 3. Атомы в состоянии 1 этот луч не воспринимали. Для этих атомов использовали другой луч, называемый испытательным, частота которого соответствовала разности состояний 1 и 3. Самое интересное начинается, когда используют одновременно индуцирующий и испытательный лучи.

Представьте себе, что двое силачей пытаются положить друг другу руку на стол. То же самое происходит и в атомах натрия. Индуцирующий и испытательный лучи не дают друг другу действовать. Этот эффект в физике называется квантовой интерференцией. Атомы не захватывают фотоны испытательного луча, и облако атомов оказывается для этого луча прозрачным. Показатель преломления для испытательного луча считается равным единице (как для пустого пространства).

На самом деле испытательный луч не является строго одночастотным, он содержит набор слегка отличающихся друг от друга частот. Если частота слегка отличается от подобранной, то для нее запрет оказывается не таким строгим, и показатель преломления отличается от единицы. А это значит, что луч на этой частоте замедляется. Поэтому в наборе частот компонента с каждой конкретной частотой движется со своей скоростью.

Если свет распространяется, например, в воде, каждая частотная компонента движется с одинаковой скоростью. Точка, в которой совпадают фазы этих компонент (точка синхронизации), движется с той же скоростью, и эта скорость называется групповой. В облаке атомов натрия точка совпадения фаз движется гораздо медленнее, поскольку скорости компонент разные. Чем сильнее с частотой меняется показатель преломления, тем больше замедление светового импульса.

Но здесь вмешивается одно неприятное обстоятельство. Атомы натрия в облаке хаотически движутся. Это движение приводит к появлению эффекта Доплера. Помните, как изменяется звук от пролетающего самолета? И тогда каждая частотная компонента испытательного луча “размазывается по спектру и первоначальная информация, заложенная в этом луче, теряется. Чтобы минимизировать эффект Доплера, исследователям пришлось опускать температуру натриевого облака до исключительно низких температур - до одной миллионной градуса от абсолютного нуля. При этом атомы натрия оказывались практически неподвижными и эффект Доплера исчезал.

Как это делалось? Помните, как крестьяне сохраняют в летнюю жару воду холодной? Они наливают ее в глиняный кувшин и ставят в тень. Часть молекул воды просачивается через стенки сосуда, испаряется и уносит с собой тепло испарения. Остальная вода остается холодной. Сходный процесс использовали исследователи. Облако атомов натрия удерживалось электромагнитной ловушкой в вакуумной камере (как в кувшине), более горячие атомы вылетали из ловушки (их скорость выше, чем у других) и “отгонялись радиоволнами специально подобранной частоты. В результате удаленные атомы забирали лишнее тепло, а остающиеся охлаждались.

Весь процесс охлаждения до сверхнизкой температуры занимал всего 38 с.

При таком охлаждении лазерный луч тормозился до скорости 160 км/ч. Если на выходе лазера интенсивный луч мог обжечь палец, то на выходе исследовательской установки пальцем даже нельзя было бы ощутить нагрева. А скорость распространения короткого лазерного импульса фиксировалась... кинокамерой - насколько лазерный импульс перемещался от кадра к кадру киносъемки.

Но исследователям этого было мало. Они продолжали охлаждение дальше и достигли состояния в одну 500-миллиардную долю градуса. Когда-то в спектакле “Алиса в стране чудес прозвучала фраза: “Здесь очень странное место. Оказывается, в теоретической физике вещество при такой температуре образует так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна, т.е. атомы останавливаются полностью. До сих пор все это была только теория.

Дадим слово исследователям. “Мы сидели перед стеклянной камерой, в которой находилось наше облако атомов натрия. Лазер излучал испытательные импульсы, длительность которых в воздухе составляла один километр. В облаке этот импульс составил двадцатую долю миллиметра. Но как только выключался индуцирующий лазерный сигнал, испытательные импульсы снова становились длиной в километр. Таким образом, замедление составило 20 млн. раз. Мотоциклист мог проехать быстрее этого луча света.

Можно было бы ожидать, что в этом коротком импульсе наблюдается чудовищная концентрация энергии. Оказалось, что большая часть энергии из испытательного луча уходит в индуцирующий. А затем, на выходе из облака, энергия снова возвращалась в испытательный луч.

Все эти процессы зависели от множества разных параметров. Например, если энергия индуцирующего луча была слишком слабой, облако становилось непрозрачным для испытательного луча, и энергия испытательного луча поглощалась атомами натрия. Многое зависело от плотности атомов натрия в облаке, параметров электромагнитного поля ловушки и многих других факторов. Поэтому можно только удивляться терпению исследователей и тонкости экспериментов.

А теперь исследовали попробовали такой эффект. Испытательный импульс входил в облако, и в этот момент индуцирующий лазер выключался. Испытательный импульс останавливался в облаке и фиксировался за счет состояний атомов. Затем, снова включив индуцирующий лазер, исследователи “освобождали сохраненный импульс. Вот и получилась “ячейка памяти для света. При этом можно было считать скорость света равной нулю.

Что это даст технике будущего? Прежде всего явление замедления света даст огромный толчок нелинейной оптике. Эта область физики для получения нелинейных эффектов вынуждена добиваться сверхвысоких мощностей лазеров. А замедление света дает возможность работать с весьма малыми мощностями. Результатом исследований в нелинейной оптике может быть создание сверхчувствительных оптических переключателей.

Другим приложением может быть создание так называемых квантовых компьютеров (если их вообще можно создать). В них привычные “0 и “1 заменяются квантовыми суперпозициями. Быстродействие таких компьютеров на много порядков выше существующих. На них можно было бы решать такие задачи, которые сейчас даже во сне не видят.

Обсудить на форуме