Lumină lentă

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Prin lumină lentă se înțelege propagarea unui impuls optic sau a unui purtător optic modulat într-un alt mod la o rată de grup foarte mică. Fenomenul luminii lente apare atunci când propagarea unui impuls este încetinită substanțial de interacțiunea cu mediul în care apare.

În 1998, cercetătorul danez în materie de fizică Lene Vestergaard Hau a condus un grup mixt de cercetători de la Universitatea Harvard și de la Rowland Institute for Science care au reușit să încetinească un fascicul de lumină la aproximativ 17 metri pe secundă (61 km / h). [1] în timp ce cercetătorii la Universitatea din Berkeley a redus viteza luminii care circula printr-un semiconductor la 9,7 km pe secundă în 2004. Hau și colegii săi au reușit ulterior să oprească complet lumina și au dezvoltat metode prin care aceasta poate fi oprită și apoi repornită. [2] [3] Acest lucru a fost făcut pentru a încerca să dezvolte computere care folosesc doar o fracțiune din energia utilizată de computerele moderne. [4]

În 2005, IBM a realizat microcipuri capabile să încetinească lumina, modelate cu materiale destul de comune, care pot deschide calea pentru distribuția comercială. [5]

Premise

Când lumina se deplasează printr-un mediu, aceasta se deplasează mai lent decât viteza cu care se deplasează în vid. . Acest lucru este asociat cu o schimbare a vitezei de fază a luminii și se manifestă cu efecte fizice, cum ar fi refracția . Această reducere a vitezei este cuantificată prin raportul și viteza de fază în mediul considerat. Acest raport se numește indicele de refracție al mediului. Fenomenul de lumină lentă constă într-o reducere dramatică a vitezei de grup a luminii și nu a vitezei de fază. Prin urmare, efectele asociate cu lumina lentă nu se datorează valorilor anormale ale indicelui de refracție, așa cum se va explica mai jos.

Cea mai simplă descriere a luminii dată de fizica clasică constă în unde sau perturbări ale câmpului electromagnetic . În vid , ecuațiile lui Maxwell prezic că aceste perturbații se propagă cu o viteză specifică, notată cu simbolul . Această constantă fizică bine cunoscută este denumită în mod obișnuit viteza luminii . Postulatul constanței vitezei luminii în toate cadrele de referință inerțiale constituie nucleul relativității speciale și a dat naștere gândului comun că „viteza luminii este întotdeauna aceeași”. Cu toate acestea, în multe situații, lumina nu poate fi descrisă doar ca o perturbare a câmpului electromagnetic.

Lumina care se propagă în interiorul unui mediu nu mai este doar o perturbare a câmpului electromagnetic, ci mai degrabă o perturbare atât a câmpului, cât și a pozițiilor și vitezei particulelor încărcate ( electroni ) prezente în interiorul mediului. Mișcarea electronilor este determinată de câmp (și se datorează forței Lorentz ), dar câmpul este determinat de pozițiile și viteza electronilor (pe baza teoremei lui Gauss și a teoriei forței lui Ampère ). Comportamentul unei perturbații combinate a câmpului electromagnetic și a densității de sarcină (în practică, lumină) este încă determinat de ecuațiile lui Maxwell, dar soluțiile sunt complicate datorită conexiunii intime dintre mediu și câmp.

Descrierea comportamentului luminii într-un mediu este simplificată prin limitarea tipurilor de perturbații studiate la funcțiile sinusoidale ale timpului. Pentru aceste tipuri de perturbații, ecuațiile lui Maxwell sunt transformate în ecuații algebrice și sunt ușor de rezolvat. Aceste perturbații particulare se propagă într-un mediu cu o viteză mai mică decât numită viteza de fază . Relația dintre iar viteza de fază se numește indicele de refracție al mediului, indicat cu . Indicele de refracție nu este constant pentru un mediu dat, dar depinde de temperatură, presiune și, de asemenea, de frecvența undei luminoase (sinusoidale). În special, dependența de frecvență duce la un efect numit dispersie .

O ființă umană percepe intensitatea unei perturbații sinusoidale ca strălucirea luminii și frecvența ca culoare . Dacă un semnal luminos este pornit sau oprit la un moment specific sau altfel modulat, amplitudinea perturbației sinusoidale depinde și de timp. Variațiile de amplitudine în timp nu se propagă la viteza de fază, ci mai degrabă la viteza de grup . Viteza grupului depinde nu numai de indicele de refracție al mediului, ci și de modul în care indicele de refracție se modifică cu frecvența (adică derivatul indicelui de refracție față de frecvență).

Lumina lentă se referă la o viteză de lumină de grup foarte mică. Dacă relația care exprimă dispersia indicelui de refracție este de așa natură încât indicele se schimbă rapid într-un interval mic de frecvențe, atunci viteza grupului poate fi foarte mică, chiar de mii sau milioane de ori mai mică decât , chiar dacă indicele de refracție are încă o valoare tipică (între 1,5 și 3,5 pentru ochelari și semiconductori).

Modalități de a obține lumină lentă

Există multe mecanisme care pot genera lumină lentă, fiecare generând regiuni spectrale înguste cu dispersie ridicată, adică vârfuri în relația de dispersie . Modalitățile de luat în considerare sunt, în general, împărțite în două categorii: dispersia într-un mediu și dispersia într-un ghid de undă. Mecanismele de dispersie într-un mediu precum transparența indusă electromagnetic (EIT), oscilația populației coerente (CPO - oscilația coerentă a populației) și diferite moduri de amestecare cu patru unde (FWM) produc o schimbare rapidă a indicelui de refracție în funcție frecvenței optice, adică modifică dependența de timp a unei unde de propagare. Acest lucru se face utilizând efecte neliniare pentru a schimba răspunsul dipol al unui mediu la un semnal sau câmp „test”. Mecanismele de dispersie din ghidurile de undă, cum ar fi cristalele fotonice , ghidurile de undă optice cuplate la rezonator (CROW - ghiduri de undă optice ale rezonatorului cuplat) și alte structuri de micro-rezonatoare [6] modifică dependența spațială (vectorul k) a unei unde de propagare. Lumina lentă poate fi obținută și prin exploatarea proprietăților de dispersie ale ghidurilor de undă plate realizate cu metamateriale negative simple (SNM) [7] [8] sau metamateriale duble negative (DNM). [9]

Un parametru foarte important care trebuie luat în considerare pentru generarea de lumină lentă este produsul cu lățime de bandă întârziată (DBP - Delay-Bandwidth Product). Majoritatea modurilor în care este generată lumina lentă pot oferi de fapt o întârziere arbitrară pentru o anumită lungime a dispozitivului (lungime / întârziere = viteza semnalului) în detrimentul lățimii de bandă . Produsul celor două este aproape constant. Un alt parametru important legat este întârzierea fracționată , timpul de întârziere al unui impuls împărțit la timpul total al impulsului. Transparența indusă de plasmon - un analog al transparenței induse electromagnetic - oferă o altă abordare bazată pe interferența distructivă între diferite moduri de rezonanță. Lucrările recente au demonstrat acest efect într-o fereastră mare de transparență într-un interval de frecvență peste 0,40 THz. [10]

Utilizare potențială

Lumina lentă ar putea fi utilizată pentru a reduce foarte mult zgomotul, ceea ce ar putea permite transmiterea mai eficientă a tuturor tipurilor de informații [ fără sursă ] . În plus, întrerupătoarele optice controlate cu lumină lentă [11] ar putea reduce necesarul de energie de un milion de ori în comparație cu întrerupătoarele care gestionează acum totul, de la echipamente telefonice la supercomputere. Încetinirea luminii ar putea duce la un flux mai ordonat de trafic în rețelele de calculatoare . Pe de altă parte, lumina lentă poate fi utilizată pentru a construi interferometre care sunt mult mai sensibile la schimbarea frecvenței decât interferometrele convenționale. Această proprietate poate fi utilizată pentru a construi contoare de frecvență mai bune și mai mici și spectrometre compacte de înaltă rezoluție. De asemenea, lumina lentă poate fi utilizată în memoria optică cuantică.

În literatură

Descrierea „luminitei” din romanul lui Maurice Renard , Le maître de la lumière ( Maestrul luminii , 1933), poate fi una dintre cele mai vechi citate de lumină lentă. [12]

Aceste panouri sunt formate dintr-un compus prin care lumina este încetinită în același mod ca atunci când se deplasează prin apă. Știi bine, Péronne, cum poți auzi un sunet mai repede prin, de exemplu, un cablu metalic sau alt solid decât în ​​spațiul simplu. Ei bine, Péronne, toate acestea se încadrează în aceeași familie de fenomene! Iată soluția. Aceste panouri de sticlă încetinesc lumina până la o viteză incredibil de lentă, deoarece este nevoie doar de o foaie relativ subțire de lumină pentru a o încetini cu o sută de ani. Este nevoie de o sută de ani pentru ca o rază de lumină să treacă prin acest strat de materie! Ar dura un an până să treacă un bănuț de această grosime. [13]

Mai jos sunt poveștile fictive ulterioare care implică o lumină lentă.

  • Experimentele cu lumină lentă sunt menționate în romanul lui Dave Eggers You Shall Know Our Velocity (2002), în care viteza luminii este descrisă ca „crawl-ul duminicii”.
  • Pe Disco World , unde este setată seria de romane a lui Terry Pratchett , lumina parcurge doar câteva sute de mile pe oră datorită câmpului magic „suficient de intens pentru a fi jenant”. [14]
  • „Slow glass” este un material fictiv din nuvela lui Bob Shaw „ Light of Other Days ” ( Analog , 1966) și din multe serii ulterioare. Sticla, care întârzie trecerea luminii cu ani sau decenii, este folosită pentru a construi ferestre numite scenete , care permit locuitorilor orașului, submarinilor și prizonierilor să privească „în direct”. „Sticla lentă” este un material în care întârzierea luminii care trece prin sticlă se datorează trecerii fotonilor „... printr-un tunel în spirală înfășurat din fasciculul de captare al fiecărui atom din sticlă”.

Mai târziu, Shaw a refăcut poveștile din romanul Other Days, Other Eyes (1972). [15]

Notă

  1. ^ William J. Cromie, Physicists Slow Speed ​​of Light , The Harvard University Gazette, 18 februarie 1999. Accesat la 26 ianuarie 2008 .
  2. ^ Lumina s-a schimbat în materie, apoi a fost oprită și mutată , pe photonics.com . Adus la 10 iunie 2013 .
  3. ^ Naomi S. Ginsberg, Sean R. Garner și Lene Vestergaard Hau, Control coerent al informațiilor optice cu dinamica undelor materiei , în Nature , vol. 445, n. 7128, 8 februarie 2007, pp. 623-626, DOI : 10.1038 / nature05493 , PMID 17287804 .
  4. ^ Michael Kanellos, Încetinirea vitezei luminii pentru a îmbunătăți rețeaua , ZDNet News , 28 septembrie 2004. Accesat la 26 ianuarie 2008 (arhivat din original la 28 februarie 2008) .
  5. ^ Michael Kanellos, IBM încetinește lumina, o pregătește pentru rețea , ZDNet News , 2 noiembrie 2005. Accesat la 26 ianuarie 2008 (arhivat din original la 19 decembrie 2007) .
  6. ^ Myungjun Lee, Studiu de proiectare sistematică a unei linii de întârziere complet optică bazată pe rezonatori cu inele cuplate în cascadă îmbunătățite cu dispersie Brillouin ( PDF ), în Journal of Optics A , vol. 12, nr. 10, 2010.
  7. ^ Savatore Savo Wentao T. Lu, B. Didier F. Casse și Srinivas Sridhar, Ghid de undă cu microunde lent din metamateriale cu permeabilitate negativă ( PDF ), în Microwave and Optical Technology Letters , vol. 51, nr. 11, 2009, pp. 2705-2709, DOI : 10.1002 / mop . 24727 . Adus la 16 mai 2019 (arhivat din original la 20 octombrie 2016) .
  8. ^ Wentao T. Lu Savatore Savo, B. Didier F. Casse și Srinivas Sridhar, Observarea luminii lente într-un ghid de undă metamateriale la frecvențe cu microunde ( PDF ), în Applied Physics Letters , vol. 98, nr. 17, 2011, p. 1719079, Bibcode : 2011ApPhL..98q1907S , DOI : 10.1063 / 1.3583521 . Adus la 16 mai 2019 (arhivat din original la 4 martie 2016) .
  9. ^ O. Hess KL Tsakmakidis and AD Boardman, Trapped rainbow storage of light in metamaterials , în Nature , vol. 450, nr. 7168, 2007, pp. 397-401, Bibcode : 2007 Nat . 450..397T , DOI : 10.1038 / nature06285 , PMID 18004380 .
  10. ^ Zhihua Zhu, plasmonul de bandă largă a indus transparența în metamateriale terahertz , în Nanotehnologie , vol. 24, n. 21, 2013, p. 214003, Bibcode : 2013Nanot..24u4003Z , DOI : 10.1088 / 0957-4484 / 24/21/214003 , PMID 23618809 .
  11. ^ Michael Pollitt, Light touch ar putea stimula rețelele de fibră optică , The Guardian , 7 februarie 2008. Accesat la 4 aprilie 2008 .
  12. ^ Maurice Renard , Maestrul luminii , 1933.
  13. ^ Arthur B. Evans, The Fantastic Science Fiction of Maurice Renard , in Science Fiction Studies, # 64, Vol. 21, Part 3, November 1994 . Adus la 23 februarie 2011 .
  14. ^ Terry Pratchett , The Color of Magic , 1983, ISBN 978-0-552-16659-1 .
  15. ^ Shaw, Bob , Other Days, Other Eyes , 1972, ISBN 978-0-330-23893-9 .

Bibliografie

  • Lene Vestergaard Hau, SE Harris, Zachary Dutton, Cyrus H. Behroozi, Nature v.397, p. 594 (1999).
  • „Noul ghid de undă fotonică IBM”. Natura , noiembrie 2004.
  • J. Scheuer, GT Paloczi, JKS Poon și A. Yariv, "Ghiduri de undă optice cu rezonator cuplat: către încetinirea și stocarea luminii", Opt. Foton. Știri, Vol. 16 (2005) 36.

Elemente conexe

Fizică Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Luce_lenta&oldid=121933452 ”