Звук управляет светом

Физики из университета Иллинойса смогли управлять скоростью и направлением распространения света с помощью звука.

Прочтя заголовок, легко представить, что физики придумали некое таинственное заклинание, которое может изменить одну из фундаментальных констант вселенной. Нет, никакой мистики здесь нет, в ходе эксперимента ни один физический закон не был нарушен, а постоянная скорости света в вакууме осталась нетронутой. Однако звуковые волны действительно способны воздействовать на свет, и работа исследователей может оказаться очень полезной для развития технологий оптоволоконной передачи данных. Как это работает?

В оптоволоконных линиях для передачи данных используется свет, который за счет эффекта полного внутреннего отражения внутри оптоволокна можно без потерь передавать на большие расстояния.

В начале 1920-х годов советский физик Леонид Мандельштам теоретически показал, что звуковые колебания в прозрачном веществе могут рассеивать проходящий через это вещество свет. Звуковые волны вызывают локальные изменения плотности среды и как следствие, меняют показатель преломления. В результате такого рассеяния теряется часть световой энергии. Независимо от Мандельштама американский физик Леон Бриллюэн пришел к таким же результатам. В итоге взаимодействие звука и света в прозрачных средах назвали эффектом Мандельштама-Бриллюэна.

Однако мы не замечаем, чтобы громкая музыка рассеивала свет от лампочки, как, например, рассеивается свет автомобильных фар в тумане. Эффект станет заметным, только если вместо обычной лампочки взять источник монохроматического излучения – лазер. Дело в том, что луч лазера представляет собой электромагнитное излучение с одной длиной волны, которая и определяет его «цвет». У красного луча одна длина волны, у зеленого – другая.

Теперь возьмем оптоволоконную линию передачи данных. Принцип ее работы в том, что информация передается за счет изменения интенсивности светового луча, распространяющегося вдоль прозрачной стеклянной нити. Одну оптоволоконную нить можно одновременно использовать для передачи данных по сотням каналов, просто используя лучи света разной длины волны.

Каждому каналу соответствует определенная длина волны лазера. Довольно похоже с передачей данных по радиоволнам, кроме одного: если мы увеличиваем мощность радиопередатчика, то увеличивается мощность сигнала и дальность его приема. Если же мы увеличиваем мощность лазера для передачи сигнала по оптоволокну, передача ухудшается – все большая часть сигнала начнет теряться из-за рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. Поэтому существует пороговая мощность сигнала, превышать которую не имеет смысла, иначе переданный свет просто отразится обратно.

Что же сделали физики из университета Иллинойса? На тонкой оптоволоконной нити они закрепили маленькую стеклянную сферу. Такая конструкция называется кольцевым оптическим резонатором. Луч лазера из оптоволоконной нити попадает в резонатор и за счет многократного внутреннего отражения остается в нем, как в ловушке. Ключевым моментом в эксперименте стал второй лазерный луч, с частотой, отличающейся от первоначальной на определенную величину. Разница в частотах лазерных лучей соответствовала частоте акустических колебаний материала сферы. Это и сделало систему из оптоволокна и резонатора прозрачной для первого луча.

Что самое удивительное, такая система оказалась прозрачна для лучей только с одной стороны. Получилось подобие оптического турникета – свет проходит с одной стороны, и не может пройти с другой. Возникает такое интересное свойство из-за сложного взаимодействия двух световых лучей и акустических волн в материале – эффекте рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. Только в данном случае, вместо того чтобы препятствовать прохождению луча по волокну, он, наоборот, обеспечил ему свободный коридор.

Открытие таких свойств позволит создавать миниатюрные оптические изоляторы и циркулярторы, которые нужны для оптоволоконных систем и в перспективе – для квантовых компьютеров. Сейчас действие этих устройств основано на магнитооптическом эффекте Фарадея, и для пропускания света только в одну сторону применяются магнитные поля и материалы. Избавиться от лишних магнитных полей как раз поможет сделанное открытие. Кроме того, его можно использовать для изменения групповой скорости светового луча – физики называют это «быстрым» и «медленным» светом, он нужен для хранения квантовой информации.

  По материалам: Engineering at Illinois