Рубидий переводит стрелки: транспортные развязки для света

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.

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.