Сеть для ловли света
В последнем номере журнала Physical Review Letters группа ученых из США предложила новый оптический материал, представляющий собой сеть светопроводящих волокон. Если подобные структуры будут реализованы на практике, то они могли бы открыть новые пути к контролю света для самых разнообразных технологических применений, в частности, высокоскоростных телекоммуникаций.
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.
