Фотонные кристаллы позволят изменять частоту световой волны

В современных научных журналах редко приходится читать о "потрясающих открытиях" и "невероятных физических феноменах", однако именно в таких выражениях описывают результаты экспериментов над световыми волнами, проведённых в Массачусетском технологическом институте.

Суть, собственно, в следующем: один из пионеров в области фотонных кристаллов Джон Джоаннопулос (John Joannopoulos) обнаружил очень странные свойства, проявляемые такими кристаллами при воздействии на них ударной волны.

Благодаря этим свойствам с лучом света, пропускаемым через эти кристаллы, можно делать всё, что угодно — например, менять частоту световой волны (то есть, цвет). Степень подконтрольности процесса приближается к 100%, что, собственно, учёных больше всего и изумляет.

Так, а что такое фотонные кристаллы?

 

 

Это не слишком удачный, но уже вполне расхожий перевод термина Photonic Crystals. Термин был введён в конце 1980-х годов для обозначения, так сказать, оптического аналога полупроводников.

Профессор Джон Иоаннопулос.

Это искусственные кристаллы, изготовленные из полупрозрачного диэлектрика, в котором упорядоченным образом создаются воздушные "дырки", так что луч света, проходя через такой кристалл, попадает в среды то с высоким коэффициентом отражения, то с низким.

Благодаря этому в кристалле фотон оказывается примерно в тех же условиях, что и электрон в полупроводнике, а соответственно, формируются "разрешённые" и "запрещённые" фотонные зоны" (Photonic Band Gap), так что кристалл блокирует свет с длиной волны, соответствующей запрещённой фотонной зоне, в то время как свет с другими длинами волн будет распространяться беспрепятственно.

Первый фотонный кристалл был создан в начале 1990-х годов сотрудником Bell Labs Эли Яблоновичем (Eli Yablonovitch), который теперь работает в Университете Калифорния. Узнав об опытах Иоаннопулоса, он назвал степень достигнутого контроля над световыми волнами "шокирующей".

Проведя компьютерные симуляции, команда Иоаннопулоса обнаружила, что при воздействии ударной волны на кристалл, его физические свойства резко меняются. Например, кристалл, который пропускал красный свет и отражал зелёный, становился вдруг прозрачным для зелёного света, и непроницаемым для красной части спектра.

Небольшой фокус с ударными волнами позволял и вовсе "остановить" свет внутри кристалла: световая волна начинала "биться" между "сжатой" и "несжатой" частью кристалла — получался своего рода эффект зеркальной комнаты.

Схема процессов, происходящих в фотонном кристалле при прохождении сквозь него ударной волны.

Поскольку ударная волна проходит сквозь кристалл, световая волна подвергается смещению Доплера каждый раз, когда соприкасается с ударным импульсом.

Если ударная волна движется в направлении обратном движению световой волны, частота света становится выше при каждом столкновении.

Если ударная волна идёт в том же направлении, что и свет, его частота падает.

После 10 тысяч отражений, происходящих приблизительно за 0,1 наносекунды, частота светового импульса меняется очень значительно, так что красный свет может сделаться синим. Частота даже может выйти за пределы видимой части спектра — в инфракрасную или ультрафиолетовую область.

Изменяя структуру кристалла можно добиться полного контроля над тем, какие частоты будут входить в кристалл, и какие выходить.

Но к практическим испытаниям Иоаннопулос и его коллеги пока только собираются приступать — ибо, как уже сказано, их результаты основаны на компьютерных симуляциях.

Кадр из видеоряда компьютерной симуляции, проведённой Иоаннопулосом и его коллегами.

В настоящее время идут переговоры с Национальной лабораторией Лоренса Ливермора (Lawrence Livermore National Laboratory) о "реальных" опытах: сначала кристаллы будут расстреливать пулями, а в дальнейшем, вероятно, — звуковыми импульсами, которые менее разрушительны для самих кристаллов.

Диапазон практического применения этого эффекта — весьма обширен. Во-первых, естественно, сверхбыстрые оптоволоконные соединения и сверхбыстрые компьютерные системы. Во-вторых, это пресловутые терагерцевые лучи — диапазон частот, располагающийся между микроволновым и видимым излучением.

Терагерцевые лучи обладают очень высокой проникающей способностью, сопоставимой с рентгеновским излучением, и при этом они гораздо менее вредоносны. К тому же их легче сфокусировать.

Статья о науки и техники получена: Membrana.ru