Ловушка для фотона: Фотонная ловушка для термояда

Содержание

Фотонная ловушка для термояда | Наука и жизнь

Физики создали эффективную установку для нейтрализации отрицательных ионов с помощью фотонов, которую можно использовать в термоядерном реакторе.

Исследователям из Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ) удалось разработать принципиально новую нерезонансную установку для накопления фотонов. Она состоит из обычного волоконного лазера и системы вогнутых зеркал, расположенных друг напротив друга.

Исследовательский стенд с фотонной ловушкой.

Автор идеи и руководитель исследований Сергей Попов за работой.

Внутренняя часть фотонной ловушки – «зазеркалье».

‹

›

Открыть в полном размере

Попав между зеркал, фотоны отражаются от них и не могут выйти из ловушки, пока не поглотятся в зеркалах или не уйдут из ловушки. При этом удалось обойти проблемы, свойственные резонансным схемам накопления излучения: нет жесткого условия ни на спектр, ни на точность установки зеркал. Их отклонение даже на несколько градусов не влияет существенно на работу установки.

В ИЯФ создали модель накопителя, зеркала для которой изготовили в Институте лазерной физики СО РАН с участием исследователей Института автоматики и электрометрии СО РАН и ИЯФ. Эксперимент показал, что благодаря хорошему удержанию фотоны испытывают в нем около 1000 отражений, что соответствует времени жизни фотонов порядка 100 наносекунд.

Использовать данный накопитель фотонов планируется для нейтрализации ионов в системе нагрева плазмы термоядерного реактора. В начале февраля исследовательская группа Сергея Попова (ИЯФ) получила рекорд по эффективности нейтрализации пучка – 98%, превзойдя предел, достижимый на других типах нейтрализаторов.

Источником энергии в термоядерном реакторе служит так называемый термоядерный синтез, в котором ядра дейтерия и трития объединяются, образуя ядро гелия. При этом выделяется огромная энергия. Протекает данная реакция только при очень высоких температурах. Поэтому, чтобы запустить реакцию, вещество в реакторе надо сначала нагреть примерно до 150 миллионов градусов, что в десять раз больше, чем в ядре Солнца.

Один из основных способов разогревания плазмы до нужных температур – это бомбардировка её пучком атомов водорода или дейтерия с большой скоростью и, соответственно, энергией. В международном исследовательском термоядерном реакторе ИТЭР, который сооружается во Франции, будут использоваться пучки атомов с энергией 1 мегаэлектронвольт.

Надо подчеркнуть, что здесь нужны именно электрически нейтральные атомы, поскольку плазма удерживается внутри реактора с помощью магнитного поля, которое не пропустит извне заряженные частицы. Но нейтральные атомы невозможно разогнать в электрическом поле.

Физики нашли решение этой проблемы в использовании трехступенчатого процесса. Сначала нейтральный газ ионизируется присоединением к атомам электронов, затем получившиеся отрицательные ионы ускоряются, и на последнем этапе они нейтрализуются, отдавая лишний электрон.

Для нейтрализации отрицательных ионов обычно используется газовая мишень, представляющая собой струю газа, проходя сквозь которую ионы теряют лишний электрон. Недостаток этого метода в том, что значительная часть отрицательных ионов теряет оба электрона, становясь положительно заряженными частицами, неспособными, как уже говорилось, попасть сквозь магнитное поле в область термоядерной реакции. В результате нейтрализуется лишь около 60% ионов.

В перспективе рассматривается использование плазменной мишени, но и она сможет нейтрализовать не более 80 % частиц. К тому же газ, попадая в реактор, охлаждает плазму. Все это снижает коэффициент полезного действия установки.

Для нейтрализации ионов можно использовать фотоны, имеющие энергию, достаточную, чтобы «оторвать» лишний электрон, но недостаточную, чтобы ионизировать получившийся нейтральный атом. Этот метод способен обеспечить нейтрализацию практически 100% ионов. Но для этого необходимо обеспечить достаточное количество фотонов на пути ионов.

Подобная задача может быть решена с помощью использования накопителей излучения. Однако для высокоэффективного функционирования традиционных хорошо изученных фотонных накопителей – резонаторов – необходимо соблюсти очень жесткие условия: точно установить зеркала, стабилизировать их и использовать излучение с очень узким спектром. Такие резонаторы очень сложно построить, и пока не существует установок, которые можно было применить на практике.

Предложенная в ИЯФ фотонная ловушка решает эту проблему. Однако её нужно изготовить в натуральную величину и проверить на надежность при использовании мощных пучков.

«Хотя работа стимулирована задачами, связанными с термоядерной энергетикой, такие накопители имеют огромные перспективы для практического применения и в других областях, например, фотохимии, спектроскопии, лазерном разделении изотопов», – сказал автор идеи и руководитель работ Сергей Попов.

По материалам Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН

Ученые создали уникальную “ловушку для света”

https://ria.ru/20180524/1521256232.html

Ученые создали уникальную “ловушку для света”

Ученые создали уникальную “ловушку для света” — РИА Новости, 25.07.2018

Ученые создали уникальную “ловушку для света”

Коллектив ученых под руководством профессора Юрия Раковича в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ» впервые разработал настраиваемый… РИА Новости, 24.05.2018

2018-05-24T14:56

2018-07-25T16:31

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/sharing/article/1521256232.jpg?13428951691532525499

москва

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2018

РИА Новости

4. 7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

москва, национальный исследовательский ядерный университет «мифи», университетская наука

Наука, Москва, Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Университетская наука

Коллектив ученых под руководством профессора Юрия Раковича в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ» впервые разработал настраиваемый микрорезонатор для создания гибридных энергетических состояний между светом и материей, позволяющий управлять химическими и биологическими свойствами молекул с помощью света. Результаты исследования опубликованы в престижном научном журнале Review of Scientific Instruments. Статья включена в число особо выдающихся («Editor’s Pick»).

10 декабря 2017, 08:00

Лазерный луч: как создавали устройство с бесконечными возможностями

Разработанный микрорезонатор – это ловушка для света, представленная в виде двух зеркал, расположенных друг от друга на расстоянии в несколько сотен нанометров. Когда квант света попадает в эту ловушку, он формирует локализованное состояние электромагнитной волны. Изменяя форму и размер резонатора, можно управлять пространственным распределением электромагнитной волны и временем жизни фотона в резонаторе.

Новая разработка позволяет управлять химическими и биологическими свойствами молекул с помощью света. Практическое значение исследования во многом определяется уникальностью разработанной конструкции. На основе созданного микрорезонатора можно создавать приборы нового поколения для использования в био- и химическом сенсинге, управления скоростью химических реакций и эффективностью переноса энергии.

Высокая оценка прибора объясняется новизной, эффективностью и универсальностью его конструкции, а также уникальностью свойств микрорезонатора для проведения исследований, пояснили РИА Новости авторы разработки.

Между светом и веществом

Резонансное взаимодействие между квантовыми излучателями и локализованным электромагнитным полем интересно, прежде всего, благодаря возможности управлять свойствами гибридных состояний «свет–вещество». В таких системах свет и вещество формируют некое промежуточное состояние с измененными свойствами. Причем этими свойствами гибридных состояний можно управлять с помощью оптического излучения (света). Один из способов получения таких состояний – помещение излучающих или поглощающих молекул в резонатор.

7 мая 2018, 08:30

Российские ученые создали лазер-трансформер

По словам ученых, представленная конструкция настраиваемого микрорезонатора существенно упростит и расширит такие исследования, позволив изучать взаимодействия света с веществом в режимах как сильной, так и слабой связи для образцов практически любого вещества в спектральном диапазоне от УФ- до ИК-излучения.

«Прибор представляет собой микрорезонатор Фабри–Перо (λ/2), состоящий из плоского и выпуклого зеркал, которые обеспечивают плоско-параллельность по крайней мере в одной точке на поверхности последнего, минимизируя объем моды. Это «ловушка» для света, изготовленная в виде двух зеркал, расположенных друг от друга на расстояние меньше длины волны света», – рассказал РИА Новости ведущий учёный Лаборатории гибридных фотонных наноматериалов НИЯУ МИФИ, профессор Юрий Ракович.

Когда квант света попадает в эту ловушку или излучается источником света внутри резонатора, он начинает активно «метаться», многократно отражаясь от зеркал. За счет этого удается осуществить связь фотонов и собственных энергетических состояний микрорезонатора.

«Изменяя форму и размер резонатора, а также коэффициенты отражения зеркал, можно управлять свойствами света и эффективностью такой «ловушки»», – сообщил Юрий Ракович.

От прототипа — к промышленному производству

Разработанный микрорезонатор удобен в обращении, а его устройство достаточно просто, чтобы наладить его промышленное производство. Микрорезонатор может использоваться не только для создания приборов для управления скоростью химических реакций, но также для разработки высокоэффективных источников света и новых лазерных устройств с низким порогом генерации управления.

23 ноября 2017, 09:07

МИФИ: неизвестный архив ядерного университета

«Использование этого прибора откроет новые возможности для изучения влияния эффектов сильной и слабой связи на комбинационное рассеяние, скорость химических реакций, электропроводность, лазерную генерацию, безызлучательный перенос энергии и другие физические, химические и биологические функции. Это будет также значительным шагом к разработке разнообразных практических приложений эффекта связи «свет–вещество», прежде всего для модификации физических, химических и биологических процессов», – рассказал РИА Новости научный сотрудник лаборатории Дмитрий Довженко.

НИЯУ МИФИ является участником федеральной программы повышения конкурентоспособности российских вузов (Проект 5-100), цель которой – усиление исследовательского потенциала российских вузов и развитие актуальных научных исследований, интеграция образования, предпринимательства и инноваций, а также продуктивное взаимодействие университетской науки и индустриальных партнеров.

Ловушка-ловушка | Журнал Discover

Однажды весной 1987 года Эли Яблонович и Саджив Джон собрались вместе на обед, который они оба хорошо помнят. Два исследователя никогда не встречались. Они связались после того, как обнаружили, что каждый из них отправил статью в Physical Review Letters, основанную на одной и той же новой идее — идее, которая теперь считается новаторской.

Яблонович был инженером-электриком в компании Bell Communications Research, или Bellcore, в Ред-Банке, штат Нью-Джерси. Он уже был известен своей работой по совершенствованию лазера, который станет основой оптоволоконной связи. Джон был многообещающим физиком-теоретиком; он недавно поступил на факультет Принстонского университета. Когда они сели вместе в цивилизованной обстановке обеденного зала Принстона, социобиологическая динамика была такой же, как у двух больших собак, обнюхивающих друг друга.

«Разговор был оживленным, — вспоминает Джон.

«Собрание было оживленным, но и немного напряженным, — говорит Яблонович. Оба мужчины знали, что они наткнулись на что-то большое, хотя каждый закончил свою статью лишь скромными прогнозами. Яблонович сказал, что эта идея «может когда-нибудь сыграть свою роль в изучении полупроводниковых лазеров». В документе Джона говорится только, что это «может привести к ряду полезных приложений для устройств». Оба вывода теперь выглядят как сильное преуменьшение. В наши дни из десятков лабораторий по всему миру выходят сотни статей со ссылками на эти 1987 статей. Но тогда Яблонович и Иоанн были одни. Быть одиноким гением может быть приятно. Но наличие соперника может быть обнадеживающим: это говорит о том, что вы не сумасшедший гений-одиночка.

Двое мужчин по-хорошему закончили обедать. Они также договорились о названии своей идеи: она должна называться фотонной запрещенной зоной. С тех пор их идея была реализована в виде фотонных кристаллов, которые могут оказаться такой же далеко идущей инновацией, как и полупроводники. Фотонные кристаллы имеют правильную структуру решетки природных кристаллов. Они немного похожи на клетки, и это именно то, чем они являются. Это клетки, которые ловят фотоны — частицы света, движущиеся со скоростью 186 000 миль в секунду — как светлячки в банке.

Останавливать свет, не поглощая его, что только уничтожает его, улавливать свет, сохраняя его неповрежденным и полезным — это ловкий трюк. Любой может остановить свет, поглотив его; каждый из нас останавливает триллионы фотонов в секунду. Хитрость не в том, чтобы убить фотоны, а в том, чтобы их приручить. Как только они окажутся в клетке, вы сможете найти способ выпустить свет, когда захотите. Вы можете направить ее так, чтобы она текла только туда, куда вы хотите. Вы можете управлять светом так же, как мы уже управляем электронами в микросхемах или интегральных схемах.

Физик Саджив Джон (вверху) держит в руках фотонный микрочип и говорит, что «Интернет является самым большим двигателем этой технологии». Фотография сделана в Институте физики микроструктур Макса Планка

«Все, что мы сделали с полупроводниками, будет сделано с помощью света», — говорит Эли Яблонович, пионер фотонных кристаллов. Фотография сделана в Институте физики микроструктур Макса Планка

Микрочипы сделаны из полупроводников, а отличительной чертой полупроводника является ширина запрещенной зоны. В любом твердом материале электроны существуют только в дискретных энергетических зонах, точно так же, как они вращаются вокруг отдельного атома на дискретных энергетических уровнях. Но в полупроводнике существует большой разрыв между полосой электронов, связанных с атомом, и более активной полосой электронов, проводящих электрический ток. Эта запрещенная зона позволяет контролировать поток электричества в чипе. В чистом кристалле кремния электроны вообще не могут существовать при запрещенной зоне. Но если вы легируете кристалл примесями — например, несколькими ионами мышьяка — вы можете ввести необходимое количество подвижных электронов. Это основной принцип интегральных схем.

Если бы мы могли сделать то же самое со светом, то в фотонных интегральных схемах информация текла бы быстрее и обильнее, чем сегодня, — гораздо быстрее. Оптический компьютер, который обрабатывает информацию как свет, а не электричество, может обрабатывать триллионы битов в секунду. Это в тысячи раз быстрее, чем у одногигагерцовых микропроцессоров в самых современных компьютерах. И задолго до того, как у нас появились оптические компьютеры, фотонные интегральные схемы могли значительно ускорить Интернет. Прямо сейчас сообщение электронной почты покидает ваш компьютер в виде электронного сигнала, преобразуется в свет везде, где оно достигает оптоволоконной магистральной линии, а затем снова и снова преобразуется туда и обратно по мере прохождения по сети. Если бы Сеть использовала фотонные микрочипы, ее скорость и пропускная способность могли бы увеличиться как минимум в сто раз.

Чтобы сделать световые чипы, вам нужен фотонный эквивалент кремния: материал, который может улавливать свет. Экзотические газы, которые недавно использовались для достижения этой цели (см. «Светофор на пути к квантовым компьютерам» ниже), не очень помогают: используемое оборудование заполняет лаборатории. Вы можете подумать, что оптические волокна, основа Интернета и телефонной сети, были бы хорошими кандидатами. В конце концов, свет остается заключенным в их стеклянных сердцевинах на тысячи километров, поскольку он рикошетит от стеклянной оболочки. Но если свет падает на оболочку под более крутым углом, чем угол скольжения, он покидает волокно, а это значит, что он никогда не сможет пройти по цепям с острыми углами на микрочипе. «Нужен способ улавливания света, чтобы не было путей выхода», — говорит Джон, который сейчас работает в Университете Торонто.

Когда Джон впервые задумался об улавливании света в начале 1980-х, представления о фотонных микрочипах были далеки от его мыслей. Он был аспирантом Гарварда и работал над диссертацией, вдохновленной Филипом Андерсоном из Принстона. В знаменитой статье 1958 года Андерсон показал, что электроны могут быть захвачены в неупорядоченном материале, в котором атомы расположены случайным образом. Если материал достаточно случайный, электрон сталкивается с атомами так часто, что продолжает отскакивать туда, откуда начал. В диссертации Джона рассматривалось, можно ли это сделать с фотонами. «Я просто задавал фундаментальный вопрос о природе», — говорит он.

Он ответил: да, свет можно локализовать, но это будет непросто. Лишь в 1997 году европейским исследователям удалось уловить свет в случайном материале. Дидерик Вирсма и его коллеги из Европейской лаборатории нелинейной спектроскопии во Флоренции и Ад Лагендейк из Амстердамского университета использовали порошок арсенида галлия, измельченный настолько мелко, что размер зерен был меньше длины волны света. Они показали, что лазерный луч не может проникнуть через слой порошка, даже если слой толщиной менее одной сотой дюйма. Свет просто отражался среди зерен по извилистым дорожкам, не находя выхода. Это был первый раз, когда кто-то поймал свет. Но микрочипы не могут быть сделаны из порошка.

К 1986 году, когда Джон присоединился к Андерсону в Принстоне, он начал задаваться вопросом, может ли быть систематический способ ловушки света. «Может быть, упорядоченный кристалл сработает», — решил он. может быть, вы могли бы построить кристаллическую клетку для света. Для Джона это все еще был вопрос чистой физики.

Работа Эли Яблоновича в Bellcore не заключалась в том, чтобы задавать фундаментальные вопросы природы. Это должно было сделать лучшие лазеры. В 1986 году переход от медных к волоконно-оптическим телефонным кабелям только начинался, и полупроводниковые лазеры, которые могли передавать сигналы, не теряя впустую пучки света, были приоритетом. Самые большие потери произошли из-за так называемого спонтанного излучения. Прежде чем стопка полупроводниковых слоев в сердце лазера начнет генерировать, испуская плотный пучок фотонов, она испускает огромное количество случайных фотонов. Если бы эти фотоны могли быть захвачены полупроводником, они добавили бы лазерный импульс, но большинство из них просто разбрызгивались по сторонам стека. «Я пытался сделать ловушку во всех трех измерениях, в которой не было бы никакой утечки», — говорит Яблонович, который сейчас работает в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе.

Правила БрэггаКаждая плоскость кристалла отражает часть светового луча и пропускает оставшуюся часть. Если расстояние между плоскостями составляет половину длины волны, отраженные волны выстраиваются в линию и конструктивно интерферируют, усиливая отражение. При наличии достаточного количества плоскостей кристалл может отражать весь свет определенной длины волны, поэтому опал, например, мерцает зеленым или красным.

Графика Мэтта Занга

Однажды в октябре 1986 года, когда Яблонович рисовал в своем кабинете: «Я начал рисовать пересекающиеся линии, и везде, где они пересекались, я делал более толстые отметки. Прежде чем я это понял, я нарисовал шахматную доску. И тогда я сказал: «Ну, я мог бы сделать это и в трех измерениях». Позже, размышляя над этой трехмерной шахматной доской, у Яблоновича наступил момент озарения.

Он понял, что то, что он нарисовал, было кристаллической структурой, которая могла улавливать свет посредством интерференции. Интерференция возникает, когда встречаются две световые волны с одинаковой длиной волны. Если их гребни совпадают, они конструктивно мешают: свет усиливается. Если гребень одной волны совпадает с впадиной другой, деструктивная интерференция тускнеет.

Свет, проходящий через кристалл, попадая на одну плоскость решетки за другой, может особым образом интерферировать. Каждая плоскость отражает часть света, но пропускает остальную часть. Теперь подумайте, что произойдет, если расстояние между этими параллельными плоскостями окажется равным расстоянию от одного гребня световой волны до соседней впадины — или половине длины волны (см. диаграмму выше). Световая волна, прошедшая через одну плоскость, но отраженная обратно от следующей плоскости, при повторном достижении первой плоскости пройдет ровно на одну полную длину волны дальше, чем световая волна, отраженная от первой плоскости. Гребни двух отраженных волн выровняются — и они также выровняются со всеми волнами, отскакивающими от других плоскостей, потому что каждая из них пройдет расстояние, точно кратное одной длине волны. Все эти волны будут конструктивно интерферировать, усиливая отраженный свет. При наличии достаточного количества плоскостей кристалл может отражать весь падающий на него свет, что известно как брэгговское отражение.

Яблонович понял, что если бы вы могли сконструировать кристалл, отражающий свет по Брэггу, независимо от того, с какого направления он шел, вы бы построили ловушку. Каким бы путем свет ни пытался проникнуть в кристалл снаружи, он будет отталкиваться; каким бы способом он ни пытался убежать, если бы он уже был внутри кристалла, он бы отразился обратно. Это сработает только для света в узком диапазоне длин волн — в определенной фотонной запрещенной зоне, как позже описали ее Яблонович и Джон. И даже для этих длин волн это было бы трудно сделать: вы получили бы эту критическую интерференцию во всех направлениях, только если бы расстояние между плоскостями решетки было примерно одинаковым во всех направлениях.

Теперь осмотрите свою комнату с плоскими стенами и спросите себя, возможно ли, чтобы вы находились на одинаковом расстоянии от каждой точки на каждой стене или даже от одной стены. Это невозможно, если только комната не является сферой, и это невозможно для фотона в кристалле, состоящем из плоских плоскостей решетки. Кристалл нужно было бы сделать из сферических оболочек, и даже тогда он работал бы только на один фотон в центре. Вот в чем заключался момент озарения Яблоновича. Он увидел, какая кристаллическая структура ближе всего подходит к сферическому идеалу, и она называется гранецентрированной кубической.

Как построить лучшую ловушку света Одним из видов световой клетки является перевернутый опал, который имитирует решетчатую структуру настоящих опалов. Группа Саджива Джона создает этот тип фотонного кристалла, укладывая стеклянные сферы диаметром в несколько сотен нанометров в гранецентрированную кубическую форму, напоминающую сложенные стопкой апельсины.

Между сферами вставлен пар полупроводникового кремния. Затем стекло вытравливают плавиковой кислотой. Результат: полупроводниковая решетка, окружающая сферы воздуха. Графика Мэтта Занга. Гранецентрированная кубическая структура — это кристаллическая структура многих природных материалов. В одном единичном кубе есть атомы в каждом углу и в центре шести граней — отсюда и название. Это рисунок апельсинов, сложенных на подставке для фруктов. Это также то, что вы получаете, когда рисуете шахматную доску, а затем расширяете ее по вертикали, ставя черные кубики на красные и наоборот. Совершенно обычное сооружение, но до тех пор, пока Яблонович не нарисовал свой рисунок, никто не осознавал его способность улавливать свет. И все же Джон пришел к тому же заключению примерно в то же время, хотя и пришел к нему более математическим путем. Когда они встретились за обедом в 1987, двое мужчин убедили себя, что им пришла в голову «очень, очень милая идея», как выразился Яблонович. Но их сверстников не сразу убедили. «Это происходило очень медленно, — говорит Яблонович. «Многие сначала не поняли».

В те первые дни люди могли заметить, что Яблонович с трудом создавал фотонный кристалл. Он не мог использовать обычный гранецентрированный кубический кристалл. Длина волны видимого света составляет от 400 до 700 нанометров, но расстояние между плоскостями атомов в природных кристаллах составляет всего несколько нанометров — намного меньше половины длины волны. (Нанометр — это миллиардная часть метра.) Чтобы отражать видимый свет, фотонный кристалл должен представлять собой сконструированную кристаллоподобную структуру, собранную из элементов, намного больших, чем атомы, но все же размером всего несколько сотен нанометров.

В 1987 году это было трудно сделать. Неясно было даже, с какого исходного материала начинать — только то, что структура должна будет чередовать воздушные карманы с каким-то гораздо более плотным, но все же полупрозрачным материалом. Чем плотнее материал, тем медленнее он пропускает свет и тем больше он преломляет или отражает свет. Это измеряется как показатель преломления материала, который представляет собой просто скорость света в вакууме, деленную на скорость света в материале. Воздух имеет показатель преломления 1, стекло — 1,5 (что означает, что оно пропускает свет на две трети быстрее, чем воздух), а кремний или арсенид галлия — 3,6. Самое сильное отражение происходит на границе между двумя сильно контрастирующими материалами, такими как воздух и кремний. В принципе, кристалл, сделанный из таких материалов, может создавать брэгговское отражение, достаточно сильное, чтобы блокировать некоторую полосу длин волн во всех направлениях — требование для фотонной полосы. щели, даже несмотря на то, что кристалл не может иметь идеальное расстояние между полуволнами во всех направлениях. Во всяком случае, таков был оптимистический план Яблоновича. «Хотя у меня была концепция, не было никаких доказательств того, что это можно сделать», — говорит он. «Может быть, для этого потребовался бы показатель преломления в сто — ну, в природе нет ничего с показателем преломления в сто! Но мы просто пошли дальше и сделали пару. И знаете что? Они не сработали!»

Яблонович даже не пытался поймать видимый свет; чтобы доказать принцип, он пытался поймать микроволны, длина волны которых в 100 000 раз больше. Его первой попыткой был кусок плексигласа по 16 дюймов с каждой стороны, в котором он просверлил несколько вентиляционных отверстий. Позже он его оформил; он висит в его офисе в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. На этикетке написано: «Первый неудачный фотонный кристалл». За этим последовало еще много неудач. «Это продолжалось четыре года, — говорит Яблонович. «На тот момент уже были вложены огромные деньги, время и усилия. Мы бежали с надеждой». Наконец ему помог Кай-Минг Хо, теоретик из Университета штата Айова. Хо и его коллеги подсчитали, что лучшим типом кристалла для улавливания света (или микроволн) является особый тип гранецентрированного куба: алмаз. Яблонович аппроксимировал это, просверлив три набора наклонных столбцов через кусок пластика, так что столбцы пересекались внутри, образуя взаимосвязанную сетку отверстий для воздуха.

Этот кусок пластика, который он нашел в 1991 году, останавливал микроволны со всех сторон: это была первая трехмерная фотонная запрещенная зона. Но на многое это не годилось — оно не могло остановить фотоны, которые вы видите, и не могло остановить фотоны ближнего инфракрасного диапазона, которые передают телефонные звонки и электронную почту. Захват этих фотонов — это то, к чему стремились исследователи во всем мире в течение десятилетия.

В кабинете Виллема Воса в Амстердамском университете белый неоновый свет падает на барабанную установку — хобби Воса, — которая стоит посреди комнаты. Свет тоже белеет на модно выбритой голове Воса. Но он иначе взаимодействует с опалом, который он держит в поднятой руке. Когда Вос медленно крутит опал, он начинает мерцать сначала зеленым, а потом красным. Это цвета, которые не могли проникнуть сквозь драгоценный камень под определенными углами. «Это опалесценция», — говорит Вос. «Опалесценция — это отражение Брэгга».

Фотоиллюстрация Яны Леон

Опал, объясняет он, представляет собой особый вид кристалла, в котором слои состоят не из атомов, а из мельчайших стеклянных шариков. На некоторых путях через опал расстояние между слоями составляет половину длины волны зеленого света; когда белый свет исходит из этих направлений, опал отражает свою зеленую составляющую. В других направлениях расстояние составляет половину длины волны красного света, а опал отражает красный цвет. Нет длины волны, она отражается со всех сторон. Это не настоящая клетка для света. Ничего в природе нет.

Некоторые из наиболее успешных недавних попыток построить такую клетку были вдохновлены не природой, а промышленностью микрочипов с ее сложными процедурами травления рисунков на полупроводниковых пластинах. Основной подход состоит в том, чтобы аппроксимировать кристаллическую структуру алмаза с помощью «поленницы» полупроводниковых «бревен», уложенных в виде перекрестной штриховки, с воздухом между бревнами. В прошлом году Сусуму Нода и его коллеги из Киотского университета сообщили о самых сильных результатах: их поленница, сделанная из бревен арсенида галлия диаметром всего 0,7 микрометра (микрометр равен одной миллионной части метра), заблокировала 99,99 процента ближнего инфракрасного света они излучали на него.

Но Вос считает, что будущее за другим и более дешевым подходом, вдохновленным опалами. Он держит пузырек, наполненный жидкостью молочного цвета, содержащей полистироловые сферы, каждая меньше микрометра в поперечнике. Подвешенные в воде сферы случайным образом рассеивают белый свет. Однако медленно они оседают из суспензии и при этом складываются в стопки, как апельсины: гранецентрированный кубический кристалл собирается на дне флакона. Он переливается зеленым и красным, когда Вос крутит его на свету.

Материал с фотонной запрещенной зоной будет постоянно мерцать одним цветом, независимо от угла падения света. Для этого Восу нужен гораздо больший контраст показателей преломления, чем между полистиролом и водой. Высушив кристалл, он заполняет воздушные зазоры между полистироловыми сферами материалом с высокой преломляющей способностью, например арсенидом галлия. Затем он нагревает кристалл, испаряя полистирол. Вместо стопки твердых сфер с заполненными воздухом промежутками у него теперь есть решетка из полупроводников, окружающих воздушные сферы: «обратный опал».

Перевернутые опалы появляются в лабораториях по всему миру. В прошлом году команда под руководством Саджива Джона создала его из кремния. «Суть нашей работы, — говорит Джон, — в том, что вам не нужна вся эта сложная и трудоемкая микролитография, которая стоит огромных денег. Вы можете сделать это самостоятельно». Команда Джона утверждала, что их материал показал «полную трехмерную фотонную запрещенную зону» в ближнем инфракрасном диапазоне.

Мнения о том, построил ли Джон, Нода или кто-либо еще герметичную световую ловушку, расходятся. Настоящее доказательство, думает Вос, появится, когда кто-нибудь поместит микроскопический источник света внутрь фотонного кристалла и обнаружит, что свет не может выйти наружу. Его собственные кристаллы еще не совсем готовы, но он говорит: «Мы соблазнительно близки».

Для тех, кто заинтересован в создании фотонных цепей, это достаточно близко, особенно учитывая ненасытную потребность Интернета в коммуникационных возможностях. «Это похоже на первые дни в физике полупроводников», — говорит Джон. «Первая задача: можете ли вы синтезировать материалы с требуемыми характеристиками? Мы только сейчас преодолеваем это узкое место. Вот почему эта область бурно развивается».

Технически никому не нужен идеальный фотонный кристалл. Идеальный кристалл был бы темной и пустой клеткой, запертой снаружи. Точно так же, как полупроводники должны быть легированы примесями, чтобы сделать их полезными, фотонный кристалл будет легирован тщательно подобранными дефектами — разрывами в кристаллическом палисаде, которые позволяют свету с запрещенной длиной волны проникать только в эти точки. Единственный дефект пропускает свет в клетку; ряд дефектов может направить его по кругу, как только он окажется внутри. «Вы создаете материал, в котором устраняете все пути для света, — объясняет Джон, — а затем выборочно добавляете нужные вам пути, добавляя дефекты. По сути, вы пишете цепь, по которой должен следовать свет».

Световые клетки На микрофотографиях ниже показан шаблон инверсного опала. На этом поперечном сечении видно расположение стеклянных сфер, каждая из которых имеет диаметр в несколько сотен миллиардных долей метра. Кремний добавляется для производства фотонного кристалла.

Предоставлено Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (cisc) (2)

Практический фотонный кристалл может быть несовершенен еще в одном отношении: он может иметь запрещенную зону только в двух измерениях. Двумерный фотонный кристалл представляет собой тонкую пленку полупроводника, прикрепленную к подложке и перфорированную регулярным набором отверстий. Брэгговское отражение от отверстий препятствует горизонтальному блужданию света внутри пленки; обычное отражение от окружающего воздуха удерживает большую часть света от выхода в третьем, вертикальном направлении. Если вы заткнете одно из отверстий, вы создадите дефект, улавливающий свет, в котором фотоны могут вибрировать и стимулировать атомы испускать больше фотонов — ядро лазера. Команда под руководством Акселя Шерера из Калифорнийского технологического института недавно использовала этот эффект для создания самого маленького в мире лазера, всего несколько сотен нанометров в поперечнике. Он излучает в ближнем инфракрасном диапазоне, и что-то подобное однажды может увидеть действие в фотонных цепях.

Если вы закроете не одно отверстие, а ряд отверстий в двумерном кристалле, вы создадите волновод, который направляет свет даже вокруг острых углов. Если вы затем расширите отверстие с одной стороны волновода на определенную величину, вы создадите путь выхода для света с определенной длиной волны; Группа Нода в Киото продемонстрировала этот эффект в прошлом году. Они показали, что с рядом отверстий, увеличенных на разную величину, у вас есть зачатки устройства, которое могло бы сортировать отдельные разговоры, каждый из которых закодирован как отдельная длина волны, из сотен, которые теперь одновременно перемещаются по оптическому волокну. Сегодня это делают большие устройства, которые сначала преобразуют все оптические сигналы в электронные.

Уменьшая размеры устройств связи, фотонные кристаллы сделают их дешевле. «Это повлияет на все основные компоненты телекоммуникационной сети», — говорит Джон.

Сюда входит даже магистраль — оптические волокна дальней связи. Их неспособность проходить острые углы — не единственное их ограничение; большая проблема просто в том, что стекло плохо влияет на свет. Он поглощает свет, ослабляя сигнал; он рассеивает разные длины волн в одном импульсе, заставляя импульс распространяться и перекрывать соседнего. Телефонные компании тратят много средств на устранение этих проблем — например, устанавливая усилители каждые 50 миль или около того вдоль кабеля, даже на морском дне.

Но если бы свет можно было просто посылать по воздуху по полому волокну, проблемы бы не было. Это обещание волокон с фотонной запрещенной зоной. Филип Рассел и его коллеги из Университета Бата в Англии изготовили полое волокно, стенка которого состоит из нескольких сотен стеклянных капилляров, вытянутых в длину и в тонкую, как ириска. Крошечные воздушные отверстия в капиллярах образуют кристаллический узор, который удерживает свет в полой сердцевине за счет отражения Брэгга. Команда Массачусетского технологического института опробовала другой подход: коаксиальное волокно, в котором свет распространяется по воздушному пространству между двумя концентрическими брэгговскими отражающими цилиндрами. Любой подход может сделать возможным передачу более мощного света с более широким диапазоном длин волн, тем самым радикально увеличивая пропускную способность волокна. Тогда вы сможете спасти общественность от интернет-пробок.

Так же, как и в 1960 году, когда никто не мог предсказать нынешнее распространение полупроводников, сейчас трудно предусмотреть все способы использования материалов с фотонной запрещенной зоной.

Фотоиллюстрация Яны Леон

Четырнадцать лет назад Яблонович и Джон встретились за обедом и назвали область физических исследований; теперь они называют компании, и на этот раз они не одиноки. Стартап Яблоновича под названием ethertronics будет использовать фотонные кристаллы для перенаправления микроволн, которые посылают и принимают сотовые телефоны, делая их более эффективными. Филип Рассел говорит, что его вынудил основать компанию, хотя он и любит академические круги, из-за огромного интереса к его фотонно-кристаллическим волокнам; она называется Blaze Photonics. «Одна из удивительных вещей во всей этой области, — говорит Йоэль Финк из Массачусетского технологического института, соперник Рассела, — заключается в том, что между фундаментальными исследованиями и коммерциализацией существует замкнутая и короткая петля». Компания Финка называется OmniGuide Communications. «Создание компаний сейчас очень популярно, — говорит исследователь Дэвид Норрис, работающий в NEC, коммуникационном гиганте, — потому что люди видят, что они могут, во-первых, стать лично очень богатым, а во-вторых, продвигать свои исследования».

Джон тоже открывает свою компанию. Он надеется в течение двух-трех лет начать производить различные устройства для телекоммуникаций и, в конечном счете, заняться оптическими вычислениями. «Я думаю, что мы можем стать первопроходцами в этой области, — говорит он. Но он только недавно придумал название: KeraLight Technologies. «Трудно придумать название для компании, занимающейся фотоникой, — говорит Джон. «Вероятно, все, что содержит фотон, уже занято».

Светофор на пути к квантовым компьютерам

В январе этого года две группы гарвардских физиков продемонстрировали, что существует несколько способов поймать световой луч. Работая независимо друг от друга, две группы впервые поместили свет в клетку внутри облака атомов, затормозив его от нормальной скорости в 186 000 миль в секунду до полной остановки. Эта работа может когда-нибудь проложить путь к сверхбыстрым и невзламываемым квантовым компьютерам.

Физик Рональд Уолсворт из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики и его коллеги создали свою световую ловушку из теплого пара атомов рубидия, помещенного в небольшую стеклянную ячейку. (Физик из Гарварда Лене Хау и ее группа использовали переохлажденные атомы натрия. ) Обычно атомы рубидия поглощают свет, как асфальт. Команда Уолсворта поразила их управляющим лучом света, который сделал пары рубидия прозрачными. Управляющий луч также подготовил атомы к соединению с отдельными фотонами света. Затем обработанные атомы были поражены вторым импульсом света длительностью 20 миллисекунд. Фотоны в этом импульсе соединились с атомами рубидия, и импульс резко замедлился. После того, как второй луч благополучно укрылся в стеклянной кювете, контрольный луч отключили. Газообразный рубидий больше не был прозрачным; световой сигнал был пойман. Казалось, оно исчезло.

Уолсворту и его команде удалось реанимировать световой импульс. Благодаря причуде квантовой механики информация об импульсе запечатлевается в атомах газа в форме, известной как их «спиновое состояние». Когда контрольный луч снова включается, эта информация высвобождается атомами и преобразуется обратно в первоначальный импульс света. «Эта связь между светом и материей — именно то, что вам нужно для создания квантового компьютера», — говорит Уолсворт. Конечно, добавляет он, «мы еще очень долго не узнаем, сработает ли что-нибудь из этого». — Кэти А. Свитил

Саджив Джон и Эли Яблонович, передовые ученые в этой области, имеют обширные веб-сайты. Страница Яблоновича: www.ee.ucla.edu/labs/photon; Джона можно найти на сайте www.physics.utoronto.ca/~john.

У исследователя Филипа Рассела также есть сайт jdj.mit.edu/photons/index.html, как и у Виллема Воса: www.thephotonicbandgaps.com. Nature недавно опубликовала несколько статей по фотонной физике, в том числе письмо Джона в Vol. 405 (25 мая 2000 г., с. 437) и статье Яблоновича в Vol. 401 (7 октября 19 г.99, с. 539).

Подробнее об альтернативном подходе к остановке фотонов, описанном во врезке: «Storage of Light in Atomic Vapor», D.F. Phillips, A. Fleischhauer, A. Mair, RL Walsworth, and MD Lukin, Physical Review Letters, Vol. 86, номер 5, 29 января 2001 г., стр. 783-786. «Наблюдение за хранением когерентной оптической информации в атомной среде с использованием остановленных световых импульсов», Чиен Лю, Захари Даттон, Сайрус Х. Бехрузи и Лене Вестергаард Хау, Nature, Vol. 409, 25 января 2001 г., стр. 49.0-493. Также посетите сайт группы Walsworth: cfa-www.harvard.edu/Walsworth.

Новый способ улавливания фотонов раскрывает новое состояние света

Живая наука поддерживается аудиторией. Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот почему вы можете доверять нам.

Алекс Крючков из Швейцарского федерального технологического института демонстрирует, как свет может улавливаться внутри системы, например, в стеклянной линзе.
(Изображение предоставлено Аленом Херцогом/EPFL)

Физик-теоретик объяснил способ улавливания частиц света, называемых фотонами, даже при комнатной температуре, что, как считалось, возможно только при леденящих кровь температурах.

Алекс Крючков, докторант Швейцарского федерального технологического института (EPFL), построил первую количественную математическую модель захвата и конденсации света в реальных условиях.

Свет состоит из крошечных квантовых частиц, называемых фотонами. Одним из наиболее впечатляющих свойств квантовых частиц является то, что они могут конденсироваться или терять свою индивидуальную идентичность и вести себя как клоны друг друга, превращаясь в единую гигантскую волну, называемую конденсатом Бозе-Эйнштейна (БЭК). [Дурацкая физика: самые крутые маленькие частицы в природе]

Обычно это происходит при экстремально низких температурах — меньше микрокельвина или миллионной доли градуса выше абсолютного нуля. Но «одна из самых захватывающих вещей в БЭК света заключается в том, что это происходит при комнатной температуре», — сказал Хенрик Ронноу из EPFL, который не принимал участия в исследовании.

Если бы ученым удалось создать эту волну с помощью фотонов, она могла бы найти значительное применение в технологии лазеров и солнечных батарей.

Хотя Альберт Эйнштейн предсказал БЭК для массивных частиц в 1924, долгое время ученые считали невозможным создание БЭК из света, поскольку фотоны не имеют массы, что является ключевым требованием для конденсата Бозе-Эйнштейна.

«Свет в конце туннеля»

В 2010 году четыре физика из Боннского университета в Германии перевернули это предположение с ног на голову. Ученые — Ян Клаерс, Джулиан Шмитт, Франк Вевингер и Мартин Вейц — успешно сконденсировали фотоны в микрорезонаторе, состоящем из двух зеркальных поверхностей, расположенных близко друг к другу. Фотон, попавший в такую полость, ведет себя так, как если бы он имел массу; другими словами, полость создает «захватывающий потенциал», не давая фотонам ускользнуть.

Однако, чтобы проверить научное открытие, у других должна быть возможность воспроизвести эксперимент. Однако спустя четыре года после успеха 2010 года никто еще не смог сделать то же самое с результатами микрополостей, сказал Крючков.

«Понимание конденсации фотонов было подобно свету в конце туннеля. Экспериментаторы ждали какой-нибудь простой, но эффективной модели, содержащей «рецепт» для «приготовления» световых конденсатов», — сказал он.

Итак, Крючков создал рецепт. Используя математику и опираясь на предыдущие модели, физик разработал теоретическую модель конденсации света в трехмерном пространстве и в реальных условиях.

«Кроме того, я показал, что энергия света может накапливаться в конденсированном состоянии фотонов», — сказал он.

Исследователь говорит, что его модель конденсации фотонов очень хорошо объясняет экспериментальные измерения, показывая, что фотоны действительно могут быть захвачены в состоянии конденсата Бозе-Эйнштейна, а также при комнатной температуре и давлении.

«Теперь действительно можно предсказать поведение системы для других экспериментальных условий. Это также объясняет температурную реакцию экспериментальной установки», — сказал он. «Я показываю все этапы процесса, которые нужно знать, чтобы воспроизвести эти эксперименты»9.0003

«В принципе, если вы знаете, как обращаться с лазером, не причиняя себе вреда, вы можете проводить эксперименты даже у себя на заднем дворе», — добавил он.

Физик Сергей Катрыч, тоже работающий в EPFL, но не участвовавший в исследовании, сказал, что исследование важно в первую очередь потому, что бозе-эйнштейновский конденсат фотонов представляет собой совершенно новое состояние света.