Мета-атомы помогут бесконечно хранить запертый свет

Ученые из Коимбрского университета в Португалии предложили теоретическую модель «мета-атома», способного хранить «бит» света бесконечно долго. Неизбежные потери в подобной системе предложено компенсировать усилением, аналогичным усилению излучения в лазерах. Работа опубликована в журнале Nature Communications.

Хранение запертого в некоторой структуре света является необходимым условием создания оптических компьютеров, основанных на передаче и обработке информации не электронами, а фотонами. Предлагаемые традиционно для этого устройства основаны на использовании барьеров для света в виде зеркал или фотонных кристаллов. Однако из-за волновой природы света и необходимости взаимодействовать с ним в процессе вычислений достичь с помощью обычных методов бесконечно долгого хранения информации невозможно даже теоретически.

В последнее время, однако, развиваются альтернативные подходы к решению этой проблемы. Они основаны на использовании открытых резонаторов специальной формы. Такие структуры, хотя формально и не имеют непроходимых для света преград, устроены таким образом, что способны удерживать свет в течение очень долгого времени. Впервые они были рассмотрены теоретически еще в 1929 году Джоном фон Нейманом и Юджином Вигнером, а впоследствии неоднократно исследовались и другими учеными.

Авторы новой работы развивают эти идеи, предлагая использовать в качестве хранителя света так называемый «мета-атом» — наноразмерную структуру, обладающую свойствами атома в том смысле, что, как и атом, ее энергия может иметь только совершенно определенный дискретный набор значений — говорят, что энергия такой структуры квантуется. В отличии от обычного атома, однако, мета-атом в возбужденном состоянии способен удерживать внутри себя определенное количество излучения, которое оказывается как бы запертым и может рассматриваться как записанный «бит» информации.

Интересно, что подбором свойств материалов мета-атома удается достичь эффекта, когда свет, падающий на него, способен проникнуть внутрь, но часть излучения обратно выйти не может. Это достигается за счет использования нелинейных эффектов — длина волны света в мета-атоме зависит от его интенсивности. У падающего света длина волны такова, что он практически беспрепятственно проникает внутрь, но с ростом интенсивности, то есть в процессе накопления света в мета-атоме, длина его волны уменьшается и в конце концов достигает критической величины, при которой свет больше не может выйти за пределы структуры. Как это выглядит в численном моделировании можно посмотреть на анимации (.gif, 10Mb).

Если бы используемые материалы были идеальными, то согласно аналитическим и численным расчетам, свет мог бы удерживаться в подобном мета-атоме сколь угодно долго. На практике, однако, любой материал обладает поглощением, что приводит к потерям энергии излучения. Чтобы побороть эту проблему, ученые предлагают использовать в ядре мета-атома среду, способную усиливать свет, аналогично тому, как усиливается излучение в лазерах. Авторы утверждают, что можно подобрать коэффициент усиления так, чтобы интенсивность света в предложенной ими структуре не уменьшалась. Таким образом, можно на практике достичь бесконечно долгого хранения оптической информации в веществе.

Еще одной проблемой, решенной теоретиками, стало извлечение хранимого «бита» света в нужный момент. Для этого на мета-атом подается еще один импульс излучения определенной формы. Как происходит извлечение хранимой оптической информации из мета-атома в моделировании можно посмотреть здесь(.gif, 17Mb).

Авторы надеются, что предложенный ими механизм будет полезен при разработке полностью оптической памяти, необходимой для создания в будущем сверхбыстрых фотонных компьютеров. Однако сложность экспериментальной реализации описанного мета-атома на данный момент оценить непросто. Еще труднее сравнить его преимущества и недостатки с альтернативными схемами. Ответить на вопрос о практической пригодности новой схемы смогут только будущие эксперименты.

Артем Коржиманов