Луч света под арестом

Последние новости с физических лабораторий мира дают возможность полагать, что наука и впрямь способна осуществлять самые невероятные мечты. Сколько фантастов описывали чудеса, открывающиеся человеку в случае, если он "оседлает" свет. Передвижение в пространстве со скоростью света (выше которой не может быть ничего) - это только одна из гипотетических возможностей будущего.

Однако будущее делается уже сегодня. Известно, что хороший наездник должен уметь не только удержаться в седле, когда лошадь скачет, но и при необходимости останавливать ее. То же самое относится и к управлению светом. Недавно сделан очень крупный шаг в этом направлении. Сразу две группы американских физиков объявили, что им удалось полностью остановить световой луч, продержать его какое-то время "взаперти", а затем выпустить его на свободу. Важно то, что при этом все характеристики луча полностью сохранились.

Известно, что световой луч распространяется со скоростью чуть меньше 300 тысяч километров в секунду. Правда, это в вакууме. Как только свет попадает в какую-нибудь среду, где есть движущиеся атомы, его скорость падает. Начинает сказываться так называемый эффект квантовой интерференции, при котором фотоны света, сталкиваясь с частицами среды, замедляют свой ход.

Скорость распространения света сквозь определенную среду зависит от так называемого индекса рефракции. Он зависит от многих факторов, в первую очередь, от вязкости среды. Чем более вязкая среда, тем с большим количеством атомов взаимодействуют фотоны и тем меньше скорость света. А вязкость вещества растет с уменьшением его температуры.

Именно здесь и кроется решение проблемы замедления скорости и остановки светового луча. Группа физиков Харвадского университета во главе с датской исследовательницей Лин Вестергаард Хау давно бьется над этим вопросом. Регулярно они объявляли о снижении скорости света то до 60 километров в час, то до одной мили в час. Теперь, согласно статье, которая выйдет в журнале Nature 25 января, им удалось полностью остановить движение светового луча. Еще одна группа физиков из Смитсоновского центра астрофизики, руководимая Рональдом Уалсуортом и российским ученым Михаилом Лукиным, добилась тех же результатов, правда, применив несколько видоизмененную технологию.

Суть обоих экспериментов довольно любопытна. В специальную сверхохлажденную камеру помещают светонепроницаемый газ. Особенностью газа является то, что, если осветить его вспышкой лазера, то во время вспышки он теряет свою светонепроницаемость. Во время эксперимента камеру освещали лазером, а в это время пускали луч другого лазера. Сразу же после этого выключали первый лазер. Газ терял прозрачность, и луч второго лазера уже не мог выйти из камеры. Через какое-то время камеру освещали, она снова становилась прозрачной, и "заключенный" луч покидал камеру.

Отличие подхода обеих групп в том, что они использовали разные газы и, соответственно, были вынуждены охлаждать их до разных температур. Группа Хау избрала для этих целей газ натрия, охлажденный до миллионных долей абсолютного нуля (-273 градуса по Цельсию). К тому же, газ находился под воздействием сильного магнитного поля.

В эксперименте, руководимом Лукиным, использовался газ рубидия, охлажденный до 70-90 градусов по Кельвину. По словам Лукина, "фотоны - это частицы без массы, способные переносить информацию быстрее и лучше кого бы то ни было. Однако их крайне трудно поймать и сохранить". Лукин говорить, что его метод не разрушает целостность фотонов, и тем самым сохраняет фазу и квантовое состояние (иными словами, информацию) импульса, который был введен, "заключен" в камере, а затем высвобожден. Правда, российский ученый указывает, что время сохранения информации пока что ограничено несколькими секундами. Однако это уже очень много по меркам микромира, где многие частицы живут сотые и тысячные доли секунды.

Метод, примененный в камере Лукина, был предложен им самим в прошлом году и ведет к тому, что фотоны смешиваются с атомами рубидия, образуя так называемые поляритоны. При этом меняется только спин атома, который может быть восстановлен без большой затраты энергии. Здесь важно отметить, что, судя по предварительным публикациям (статья Лукина и его коллег выйдет 29 января в журнале Physical Review Letters), группу Лукина больше интересует возможность сохранения квантовых характеристик луча, а не достижение нулевой скорости света. Ведь именно сохранение квантовых характеристик и увеличение срока хранения и открывают новые перспективы для разработки квантовой электроники.

"Неразрушительная суть метода сохранения световых импульсов делает его довольно привлекательным для применения в телекоммуникации и вычислительной технике", отмечает Лукин. Гипотетическое использование квантовых характеристик частиц, в частности носителей света - фотонов - в компьютерах может привести к увеличению в десятки раз их быстродействия. А телекоммуникационное оборудование, основанное на квантовых свойствах микрочастиц, могло бы решить множество проблем, в том числе и проблему неприкосновенности информации, так как станет невозможным прослушивание и перехват передаваемой информации. Правда, для этого нужно решить огромное количество научных и технических вопросов. В первую очередь, уменьшение размеров оборудования, обеспечивающего необходимые условия для остановки и хранения световых лучей.

перейти к началу страницы