Скорость света уже давно считается универсальной константой в вакууме. Тем не менее в различных средах можно намеренно замедлять свет с помощью различных методов, в частности, используя явление электромагнитно-индуцированной прозрачности (EIT). Группе специалистов из Гарвардского университета удалось значительно снизить скорость света до 17 м/с (вместо 299 792 458 м/с!) в ультрахолодном атомарном газе. Это достижение вызвало интерес к применению принципов TIE к метаповерхностям, которые рассматриваются как потенциально революционные в области оптики и фотоники.
Недавно исследователи из Университета Гуанси, Китайской академии наук и Шэньчжэньского института передовых технологий совершили значительный прорыв в манипулировании этой скоростью. Их исследование, опубликованное в журнале , показывает, как с помощью таких метаповерхностей можно замедлить свет более чем в 10 000 раз, значительно ограничив при этом потери. Этот прорыв основан на инновационном подходе к электромагнитно-индуцированной прозрачности. Он предполагает значительные улучшения для фотонных чипов, которые необходимы в области обнаружения света, телекоммуникаций и вычислений.
Разработка технологии
EIT — это сложный метод изменения способа взаимодействия света с веществом. Специально настраивая электронные состояния атомов внутри газа, заключенного в пустом пространстве, он позволяет свету проходить через вещества, которые в обычных условиях блокируют его (из-за непрозрачности). Такая тонкая настройка оптических свойств газа приводит к искусственной прозрачности, позволяя свету (например, лазерному лучу) проходить сквозь него.
Однако во время этого процесса скорость света сильно уменьшается. Это снижение скорости является прямым результатом контролируемого взаимодействия между светом и атомами газа, иллюстрируя точное манипулирование последними, открывающее захватывающие перспективы для исследований и технологических приложений.
Тем не менее применение TIE сопряжено с проблемами, в частности, с потерей света и энергии, что ограничивает его практическую эффективность. Чтобы преодолеть эти ограничения, исследователи применили инновационный подход, разработав метаповерхности, состоящие из тонких слоев кремния, который уже используется при производстве микропроцессоров.
Инновационность этого метода заключается в расположении фундаментальных элементов метаповерхности, известных как мета-атомы. Они расположены таким образом, что почти соприкасаются, вплоть до слияния друг с другом. Такая близость существенно изменяет способ обработки света при прохождении через метаповерхность, влияя на его взаимодействие с материалом. Особое расположение этих структур минимизирует потери энергии, замедляя свет до беспрецедентного уровня — в 10 000 раз.
Потенциальные области применения
Использование метаповерхностей для точного управления световым потоком открывает многообещающие горизонты в ряде передовых технологических областей. В частности, широкополосный интернет и квантовые вычисления, основанные на быстрой и надежной передаче больших объемов информации, должны напрямую выиграть от новой возможности манипулировать светом с беспрецедентной точностью. Оптимизированное управление потоком света уменьшает помехи и увеличивает плотность передаваемой информации, тем самым повышая скорость и надежность глобальных коммуникационных сетей.
Кроме того, повышение эффективности и снижение потерь света, достигаемое с помощью новых методов, окажет непосредственное влияние на разработку и производительность фотонных чипов. Эти компоненты, необходимые для систем обнаружения света, оптических коммуникаций и фотонных вычислений, повысят энергоэффективность и вычислительную мощность. Снижение потерь энергии в виде тепла позволит повысить долговечность и производительность устройств, а также проложить путь к созданию более компактных и менее дорогих приложений.