Сеть для ловли света
 Схематичное изображение транспорта световых лучей через сеть, состоящую из волноводов. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Невидимость – это миф или реальность? На протяжении всей истории человечества это была не более, чем научная фантастика, но в последние годы ученые достаточно сильно преуспели в создании первых образцов так называемых «плащей – невидимок», а также в разработке оптических волокон и технологии управления распространением света при помощи тонких повторяющихся структур.
Одна из наиболее известных на сегодняшний день искусственных структур, работающих со светом, - оптический кристалл, представляющий собой двух- или трехмерный массив, например, куб из прозрачного пластика, в котором с определенной периодичностью просверлены отверстия. Интерференция световых волн, путешествующих через такую структуру, проявляется в отражении определенных частот, т.е. зрительной окраске кристалла. Подобные явления достаточно широко распространены и в природе; один из наиболее ярких примеров – крылья бабочек, окрас которых формируется исключительно за счет геометрии микроскопических структур на поверхности.
Существует и другой подход, заключающийся в создании так называемых «мета-материалов», аналогов которых не существует в природе. Так, например, если объединить в некую структуру тонкие антенно-подобные образования, можно получить материал с отрицательным индексом преломления.
Но обе перечисленные техники подразумевают путешествие света через весь объем материала для достижения желаемого эффекта. Группа ученых из California Institute of Technology (США) предложила свой собственный подход, в рамках которого свет путешествует только вдоль выделенных линейных путей (волноводов), которые имеют множественные пересечения. Варьируя длину маршрута света между двумя пересечениями или изменяя скорость распространения световых волн в отдельных волноводах, исследователи могут управлять усилением или подавлением определенных длин волн. Более того, свойства такого материала могут меняться от точки к точке, что делает его более универсальным, чем фотонные кристаллы.
Для демонстрации предложенной концепции, ученые провели компьютерную симуляцию двумерной оптической сети, построенной по описанным принципам. Результаты своей работы они опубликовали в журнале Physical Review Letters. В воображаемом эксперименте каждый волновод состоял из двух золотых стержней с узким воздушным зазором между ними.
Симуляция позволила рассчитать особенности транспорта света через бесконечную «оптическую сеть». Представьте два пучка света, которые подходят к месту пересечения с перпендикулярных направлений. Расчеты показывают, что если пучки находятся в фазе (волны синхронизированы), то в результате взаимодействия световых пучков не будет отражений в обратном направлении (каждая волна отправится дальше по своему прямолинейному пути). Однако, если лучи встретятся, находясь в противофазе, в результате интерференции весь свет отправиться в обратном направлении. Это означает, что при определенной схеме построения сети, пучок света может оказаться «зажатым» в некой ограниченной области сети. Кроме того, ученые обнаружили, что некоторые размеры сетей являются «запрещенными». Однако, в отличие от аналогичного «ограничения» фотонного кристалла, гибкость построения сети позволяет обойти запрет.
Безусловно, предложенному абстрактному материалу пока далеко до практической реализации. Но если он когда-нибудь будет воплощен в жизнь, то, определенно, откроет огромные возможности, как для науки, так и для оптических телекоммуникаций.
Также по теме:
Источники: