Российские и немецкие теоретики предсказали самоостановку света в нелинейной среде

Российские и немецкие физики теоретически показали возможность того, что в нелинейной среде очень короткий световой импульс может остановиться сам по себе. Численные симуляции и аналитические вычисления показали, что это происходит из-за образования минимума в эффективном потенциале, который формируется из-за нелинейного взаимодействия импульса с атомами. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Свет летит в пустоте с максимально возможной в физике скоростью. Это становится преимуществом, когда мы хотим передавать с его помощью информацию на далекие расстояния. Однако, когда нужно сильно воздействовать светом на какой-то объект, его скорость желательно сделать как можно меньше, чтобы продлить контакт между ними — идеальным был бы полностью остановившийся на объекте свет.

Несмотря на кажущуюся фантастичность, остановка света — это вполне реальная технология. В ее основе лежит тот факт, что скорость света равна ровно c только в вакууме. В любой другой среде групповая скорость светового пакета будет меньше этого предельного значения в той или иной степени за счет взаимодействия с составляющими ее атомами или свободными зарядами. Вместо того, чтобы ежемоментно учитывать это взаимодействие, физики описывают такой свет не с помощью чистых фотонов, а с помощью различных квазичастиц, в структуру которых оно уже включено по умолчанию. Так, объединению света и колебаний коллективных атомных диполей соответствуют квазичастицы поляритоны (подробнее о других квазичастицах и о поляритонах читайте в наших материалах «Зоопарк квазичастиц» и «Квантовые кентавры»).

Групповая скорость поляритонов тем меньше, чем сильнее они настроены на резонанс со средой. У этого, однако, есть и обратная сторона — поглощение. Оно также усиливается при приближении к резонансу. Одним из способов борьбы с поглощением стало явление самоиндуцированной прозрачности. Оно наблюдается тогда, когда длительность светового импульса совпадает с периодом когерентных колебаний населенности в атомном ансамбле (или кратна ему). Другими словами, за время пролета импульса его энергия успевает один или несколько раз перейти к атомам и вернуться обратно в импульс. Пока таким способом удается замедлять достаточно длинные световые импульсы, но не останавливать их полностью. Однако насколько хорошо этот механизм работает для очень коротких импульсов пока неизвестно.

Физики из Санкт-Петербургского государственного университета, Физико-технического института имени Иоффе РАН и Ганноверского университета имени Готфрида Вильгельма Лейбница при участии Николая Розанова (Nikolay Rosanov) теоретически показали, что короткий световой импульс, распространяющийся в условиях самоиндуцированной прозрачности в однородной нелинейной среде, может полностью остановиться. Образующаяся при этом структура из света и возбуждений среды обладает необычными пространственно-временными свойствами, которые ранее не наблюдались для нелинейных локализованных световых волн (солитонов).

Авторы рассмотрели падение одноциклового светового импульса (то есть такого импульса, в котором вектор напряженности электрического поля успевает за время его длительности совершить только одно колебание) с длиной волны 700 нанометров на слой нелинейного материала толщиной 3,2 микрометра (примерно 4,6 длины волны). Материал состоял из плотно расположенных (6,3×10²² единиц на кубический сантиметр) двухуровневых атомов, переход между уровнями которых находился в резонансе с частотой света.

Численное решение нелинейного волнового уравнения совместно с уравнениями Блоха для матрицы плотности атомов позволило понять, как в таком случае изменяются в пространстве и во времени электрическое поле, поляризация среды и инверсия населенности. Оказалось, что распространение света в материале при выбранных параметрах можно разделить на три ярко выраженных этапа.

На первом из них импульс в течение нескольких фемтосекунд распространяется с постоянной, чуть замедленной скоростью, однако осцилляции его полной энергии начинают существенно нарастать. На втором этапе, который длится около 27 фемтосекунд, среднее значение полной энергии остается примерно постоянным, в то время как скорость самого импульса замедляется, пока он не останавливается на расстоянии от границы сред примерно равном 3,6 длины волны. Центр масс импульса при этом совершает низкочастотные колебания вокруг этого значения. Наконец, на завершающем этапе импульс остается в том же положении, однако начинает терять энергию за счет ее излучения в разные стороны. Значительная ее часть при этом движется в виде отдельного импульса в направлении, противоположном изначальному. В таком виде стационарный импульс остается ощутимым даже по прошествии сотни фемтосекунд.

Доступ ко всем параметрам импульса в ходе симуляции позволил физикам детально разобраться в том, что именно происходит со световой и атомной энергией в любой момент времени. Так, они выяснили, что спектр импульса сразу после входа в материал испытывает сильное смещение с увеличением частоты почти в четыре раза. При этом вектора электрического поля и поляризации колеблются в противофазе, в то время как инверсия населенности колеблется в два раза чаще, чем они. За такое необычное поведение физики назвали осциллирующую во времени связанную структуру поля и вещества осциллоном по аналогии со солитоноподобными структурами, которые возникают в гранулированных средах.

Оказалось, что поведение оптического осциллона можно качественно понять аналитически, если поместить его в эффективный потенциал, который возникает из-за нелинейного взаимодействия. Этот потенциал обладает локальным минимумом, который и притягивает к себе осциллон, заставляя последний колебаться вокруг его середины. Неидеальность же осциллона добавляет к потенциалу ангармонические члены, что приводит к его последующему рассеянию. Простые аналитические оценки показали, что его частота должна в этом случае увеличится в пять раз, что очень похоже на то, что авторы увидели в результате симуляции.

Ранее другие физики из Санкт-Петербурга, а именно из Университета ИТМО, смогли экспериментально задержать свет с помощью полимерного квазикристалла.

Марат Хамадеев