Единичные фотоны перемещаются на сверхсветовой скорости

Ученым удалось ускорить фотоны посредством добавления единственного слоя.

Исследователи из Объединенного квантового института (JQI) в сотрудничестве с Национальным институтом стандартов и технологий и Мэрилендским университетом смогли увеличить скорость фотонов до сверхсветовых значений.

Экспериментальная демонстрация подтвердила интригующий прогноз в квантовой физике по поводу того, что время прохождения световых волн сквозь многослойные материалы не зависит от толщины материала, как может быть в случае со стеклом, а скорее зависит от порядка слоев.

Свет всегда развивает максимальную скорость во время движения в вакууме, и замедляется в момент прохождения сквозь материальную сущность, такую как стекло или вода. То же верно и для света, проходящего сквозь слои диэлектриков, которые могут использоваться для создания высокорефлексивных структур, которые в свою очередь могут быть использованы в качестве оптического покрытия для зеркальных поверхностей и оптоволокна.

Ученые разработали стеки, состоящие приблизительно из 30 слоев диэлектриков, каждый толщиной приблизительно 80 миллимикронов, что эквивалентно приблизительно четверти длины световой волны. Слои чередовались от высоко- до низкопреломляющего индекса, что обуславливает характер преломления световых волн. После того, как единичный фотон достигает границы между слоями с разным индексом преломления, у него есть шансы отразиться либо пройти сквозь новый слой.

Сквозь стек, состоящий из 30 чередующихся слоев, редкие фотоны прошли за 12,84 фемтосекунд (1 фемтосекунда равна одной квадриллионной доле секунды). Добавление в конец стека еще одного слоя с низким индексом преломления непропорционально увеличило время прохождения фотона на 3,52 фемтосекунды до в общей сложности 16,36 фемтосекунд.

Если бы прохождение фотона зависело только от толщины слоя и преломляющего показателя, время прохождения составило бы около 0,58 фемтосекунд.

Добавление слоя с высоким индексом преломления между двумя разными слоями сократило бы время прохождения на 5,34 фемтосекунды, так что единичные фотоны прошли бы сквозь стек толщиной 2,6 микронов на сверхсветовой скорости.

То, что обнаружили исследователи, можно объяснить свойствами световых волн. В ходе эксперимента свет начинает и заканчивает свое существование в виде фотона. Когда один из фотонов достигает раницы между слоями, он создает волны на каждой поверхности, и эти волны противодействуют друг другу, создавая так называемое разрывное течение.

С правоориентированными слоями с чередующимся индексом преломления противодействующие световые волны объединяются, чтобы стимулировать передачу фотонов.

То, что скорость передачи информации не превышает скорость света, наблюдается ввиду некоторой иллюзорности происходящего: лишь небольшая часть фотонов действительно проходит сквозь стек, и если удалось бы обнаружить все фотоны, бывшие изначально, датчики зафиксировали бы их перемещение за нормальный отрезок времени.

Фото JQI (кликабельно)

28.01.2010