Ученые применили искусственный магнетизм для управления светом

Стэнфордские ученые показали устройство, которое производит искусственный магнетизм, чтобы применить виртуальную силу к фотонам, подобно эффекту магнитов на электроны.

Прогресс может привести к новому классы наноразмерных приложений, которые используют свет вместо электричества.

С магнитной точки зрения фотоны являются индивидуалистами в техническом мире. Испытывая нехватку в электрическом заряде, они могут двигаться даже в наиболее интенсивных магнитных полях. Однако все может измениться. В работе, опубликованной в издании Nature Photonics, междисциплинарная группа ученых сообщила о создании устройства, которое приручает поток фотонов с помощью синтетического магнетизма.

Процесс ломает ключевой закон физики, известный как инверсионно-временная симметрия света, и может привести к совершенно новому классу устройств, которые используют свет вместо электричества для применения в пределах от акселераторов и микроскопов до более быстрых чиповых коммуникаций.

«Это инновационный способ управления световым потоком. Он представляет удивительный контроль фотонов, не выявленный никогда прежде», сказал профессор электротехники Шанью Фан.

Способность использовать магнитные поля для перенаправления электронов является основным принципом электроники, однако до сих пор не существовало заключения для фотонов. Когда электрон приближается к магнитному полю, он встречает сопротивление и следует путем наименьших усилий, совершая круговые движения вокруг области. Точно так же новое устройство посылает фотоны кружиться вокруг искусственного магнитного поля.

Стэнфордское решение капитализируется на недавнем исследовании фотонных кристаллов — материалов, которые могут поглощать и выделять фотоны. Для разработки устройства члены группы создали сетку из крошечных полостей, вытравленных в кремнии, формирующем фотонный кристалл. Точно применяя электрический ток к сетке, они сумели управлять или гармонически настроить фотонный кристалл для искусственного магнетизма в качестве эффективного магнитного поля.

Ученые сообщили, что сумели изменить радиус траектории фотона, изменив электрический ток, приложенный к фотонному кристаллу и управляя скоростью вхождения фотонов в систему. Этот двойной механизм обеспечивает большую степень контроля над точностью движения фотонов, позволяя ученым регулировать свет везде, где им заблагорассудится.

В процессе создания устройства ученые, как уже сообщалось, разрушили известное в физике явление инверсионно-временной симметрии света. Разрушение этой симметрии, по сути, представляет заряд фотонов, которые реагируют на эффективное магнитное поле так, как электрон реагирует на настоящее магнитное поле.

Для инженеров это означает, что фотон, движущийся вперед, будет обладать отличными свойствами, нежели когда он движется назад, и это приводит к многообещающим техническим возможностям. „Разрушение инверсионно-временной симметрии крайне важно, поскольку открывает новые методы управления светом. Мы можем, например, помешать свету двигаться назад и, таким образом, исключить отражение“, сказал Фан.

Новое устройство решает как минимум один основной недостаток современных фотонных систем, использующих кабели из оптоволокна. Фотоны обычно полностью изменяют курс в таких системах, вызывая форму отраженного шума, известную как обратное рассеяние.

„Несмотря на гладкий внешний вид, стеклянные волокна, с фотонной точки зрения, довольно шершавы. Они вызывают определенное количество обратного рассеяния, которое ухудшает качество“, отметил докторант Кеджи Фань.

В целом, как только фотон проникает в устройство, он уже не может вернуться. Это качество будет ключевым для будущего применения технологии, поскольку устраняет недостатки, такие как потеря сигнала, обычная для оптического волокна, и другие.

01.11.2012