Звук управлява светлината

Физици от университета на Илинойс успяха да управляват скоростта и посоката на разпространение на светлината посредством звук.

Като четем заглавието, лесно можем да си представим, че физиците са измислили някое тайнствено заклинание, което може да промени една от фундаменталните константи на Вселената.

Не, тук няма мистика, в хода на експеримента не бил нарушен нито един физичен закон, а светлинната константа във вакуум останала незасегната.

Но звуковите вълни наистина са способни да въздействат на светлината и работата на изследователите може да се окаже много полезна за развитието на оптичното предаване на данни.

Как работи това?

В началото на миналия век руският физик Леонид Манделщам теоретично е установил, че звукови колебания в прозрачно вещество могат да разсейват преминаващата през веществото светлина. Звуковите вълни предизвикват локални изменения на плътността на средата и като следствие променят показателя на пречупване. В резултат на такова разсейване се губи част от светлинната енергия.

Независимо от Манделщам американският физик Леон Брилюен е стигнал до същия резултат. В резултат взаимодействието между звук и светлина в прозрачни среди било наречено ефект на Манделщам–Брилюен.

Но ние не забелязваме силната музика да разсейва светлината от лампата така, както например се разсейва светлината от автомобилни фарове в мъгла. Ефектът става забележим само ако вместо обикновена лампа се вземе източник на монохроматично лъчение – лазер.

Лазерният лъч представлява електромагнитно лъчение с една дължина на вълната, която определя и неговия „цвят“. Червеният лъч има една дължина на вълната, зеленият – друга.

Сега да вземем оптична линия за предаване на данни. Принципът ѝ на работа е в това, че информацията се предава от изменението на интензивността на светлинния лъч, разпространяван по прозрачно стъклено влакно. Едно оптично влакно може едновременно да се използва за предаване на данни по стотици канали просто като се използват лъчи светлина с различна дължина на вълната.

Всеки канал съответства на определена дължина на вълната на лазера. Доста прилича на предаването на данни по радиовълни, освен едно: ако увеличаваме мощността на радиопредавателя, се увеличават сигналът и разстоянието на неговото приемане.

Ако увеличаваме мощността на лазера за предаване на сигнал по оптичното влакно, предаването се влошава – все по-голяма част от сигнала започва да се губи поради разсейване на Манделщам–Брилюен. Затова съществува прагова мощност на сигнала, която не бива да се превишава, иначе предаваната светлина просто ще се отрази обратно.

Какво направили физиците от Илинойс? На тънко оптично влакно те закрепили малка стъклена сфера. Такава конструкция се нарича пръстеновиден оптичен резонатор. Лазерният лъч от оптичното влакно попада в резонатора и поради многократното вътрешно отражение остава в него като в капан.

Ключов момент в експеримента е втори лазерен лъч с честота, различна от първоначалния с определена величина. Разликата в честотата на лазерните лъчи съответствала на честотата на акустичните колебания на материала на сферата. Това направило системата от оптично влакно и резонатор прозрачна за първия лъч.

Което е най-интересното, такава система се оказала прозрачна за лъчите само от едната страна. Получило се подобие на оптичен турникет – светлината преминава от едната страна и не може да премине от другата. Това интересно свойство възниква поради сложното взаимодействие между двата светлинни лъча и акустичните вълни в материала – ефект на разсейване на Манделщам–Брилюен. Само в този случай, вместо да възпрепятства преминаването на лъча по влакното, той – обратното, осигурява му свободен коридор.

В оптичните линии за предаване на данни се използва светлина, която поради ефекта на пълно вътрешно отражение в оптичното влакно може без загуби да предава на големи разстояния.
© Barta IV/Flickr

Откриването на това свойство ще позволи да се създават миниатюрни оптични изолатори и циркулатори, които са необходими за оптичните системи и в перспектива – за квантовите компютри. Сега действието на тези устройства се основава на магнитнооптичния ефект на Фарадей и за пропускането на светлината само в едната посока се прилагат магнитни полета и материали.

Освен това откритието може да се използва за изменение на груповата скорост на светлинния лъч – физиците наричат това „бърза“ и „бавна“ светлина, но тя е необходима за съхранението на квантовата информация.