Рубидий переводит стрелки: транспортные развязки для света
«Транспортные развязки» для света
© TU Wien
Что общего у транспортных развязок и бутылочного резонатора, как увидеть стоячую волну, почему ПДД опубликовали в Science, чем поляризация похожа на елочку и лопасть вертолета, а рубидий — на регулировщика и джинна и как это все поможет в создании нового поколения микросхем, читайте в материале Indicator.Ru.
Передача оптического сигнала похожа на дорожное движение: и там, и там неизбежны перекрестки. Чем сложнее структура города, тем больше транспортных потоков и дорог, чем сложнее прибор, тем больше в нем нужно кабелей. Чтобы перейти на оптоволокно и использовать кванты вместо электронов, ученые должны найти решение этой проблемы. Чтобы урегулировать потоки транспорта в городе и избежать аварий и столкновений, нужны правила дорожного движения. И если в нашем макроскопическом мире такие правила давно изобретены и применяются довольно успешно, то на уровне фотонов (квантов света) первые ПДД были предложены учеными из Венского технического университета только сейчас.
Правила дорожного движения для света, которые помогут создать новые микрочипы и заменить оптикой электронику, опубликованы в Science.
Волны, бегущие по волнам
Для того чтобы развести световые потоки, два оптоволоконных кабеля соединили с оптическим резонатором — прибором, который с помощью отражателей создает стоячие волны света. Стоячими их называют потому, что они не распространяются по системе равномерно, как бегущие, а пересекаются с идущей с противоположной стороны отраженной волной с такой же амплитудой колебаний. Таким образом, две плоские волны-синусоиды, распространяющиеся в разные стороны, накладываются друг на друга, иногда их колебания суммируются (появляется резонанс), а иногда вычитаются, и общая амплитуда колебаний становится равна нулю.
Визуально такие волны можно увидеть в емкости с водой: если мы хлопнем по жидкости ладонью, волны будут распространяться по направлению к бортикам, перенося энергию. Это бегущие волны. Когда они достигнут бортиков и побегут обратно, можно снова похлопать по воде. Тогда им навстречу побегут другие волны, которые станут с ними пересекаться, образуя «сеточку» и иногда усиливая друг друга (это называется интерференцией). Добившись одинаковой амплитуды и частоты, мы сможем увидеть, что в какой-то момент вода будет казаться движущейся только вверх и вниз. Это и будет стоячая волна, при которой перенос энергии ослаблен или отсутствует.
Стоячая волна
С помощью отражающих поверхностей можно получить стоячие волны света, когда посланная в каком-то направлении волна встретится со своим отражением. Так и работает оптический резонатор, который, кстати, является важным элементом лазеров.
Так говорил Фарадей
Потоки световых частиц в оптическом резонаторе циркулируют и ведут себя как потоки автомобилей на дорожной развязке. Регулировщиком на такой развязке может стать единичный атом, встроенный в резонатор. Этот же атом может обеспечивать следование света в нужный выход, даже если свет состоит из индивидуальных фотонов.
Оптические циркуляторы — устройства, которые позволяют свету распространяться в двух направлениях одновременно, не давая волнам взаимодействовать. Это получается благодаря тому, что волны находятся в разных плоскостях. На пересечении двух практически перпендикулярных оптических волокон, которые передают сигнал из одного волокна в другое, направление света всегда меняется: например, под углом 90 градусов — по направлению часовой стрелки. «Такие оптические циркуляторы в основном опираются на эффект Фарадея: сильные магнитные поля посылаются в прозрачный материал, который расположен между двумя поляризованными разделителями лучей, которые вращаются по отношению друг к другу. Изменение магнитных полей нарушает симметрию и определяет, куда перенаправляются лучи», — объясняет Арно Раушенбетель из Центра квантовых наук и технологий в Институте атомной и субатомной физики Венского технического университета.
«Сегодня мы пытаемся сконструировать оптические интегральные схемы, которые могли бы выполнять те же функции, что электроника», — говорит ученый. Однако технические ограничения не давали создать компоненты приборов наноразмеров, которые могут использовать эффект Фарадея. Другие методы нарушить симметрию света работают только на очень высоких частотах или связаны с большими потерями мощности сигнала при его распространении по волокну.
Рубидий-регулировщик в бутылке
Группа Арно Раушенбетеля нашла совершенно новый способ добиться этого эффекта: они поместили атом рубидия в так называемый бутылочный резонатор — микроскопический стеклянный пузырек, по поверхности которого циркулирует свет. Если такой резонатор расположить возле двух ультратонких стекловолокон, две системы объединяются в одну. Без атома-регулировщика внутри свет меняет направление из одного оптоволокна в другое через бутылочный резонатор, но также лучи, вместо того чтобы преломляться на 90 градусов по направлению часовой стрелки, могут отражаться против нее и возвращаться по тому же маршруту.
И здесь на помощь приходит атом рубидия. Как джинн в бутылке, он, находясь в бутылочном резонаторе, начинает исполнять самые смелые желания физиков. Как регулировщик на перекрестке, он мешает свету попадать внутрь, заставляя его направляться в другое волокно. Рубидий делает это, используя поляризацию света.
Вектор прямолинейной поляризации
«Поляризация вращается, как лопасть вертолета», — комментирует Арно Раушенбельт. Направление поляризации — вектор, показывающий, как колеблется волна относительно плоскости, которая пересекает ее путь под прямым углом. При линейной поляризации, с которой мы имеем дело в случае плоской стоячей волны, это направление выглядит как стрелка, а если проследить за ним во времени и пространстве, оно будет напоминать елочку. Эффектом Фарадея называют вращение этого вектора благодаря воздействию на луч света магнитных волн.
Схематичная диаграмма полязирации
© Wikimedia Commons
Направление вращения зависит от того, каким образом свет проходит через резонатор. Если он путешествует по часовой стрелке, то вектор вращается против, и наоборот.
Если атом рубидия правильно подготовлен к своей миссии регулировщика, можно сделать его взаимодействие со светом различным для двух направлений движения в зависимости от внутреннего состояния атома. «Атом не влияет на циркуляцию света по направлению по часовой стрелке, — сообщает ведущий автор статьи. — Свет, идущий в обратном направлении, напротив, сильно связывается атомом и не может проникнуть в резонатор».
Квантовая физика и принцип суперпозиции позволяют добиться этого эффекта, когда у атома работают сразу два режима регулирования одновременно. Это открывает абсолютно новые многообещающие перспективы для оптической передачи информации и создания оптических интегральных схем.