Управление скоростью света с помощью надёжных методов может иметь важное значение для разработки различных передовых технологий, включая высокоскоростные системы связи и устройства для обработки квантовой информации.
Традиционные методы управления скоростью света, такие как методы, использующие так называемую электромагнитно-индуцированную прозрачность (ЭИП), работают за счёт использования квантовых интерференционных эффектов в среде, которые могут сделать её прозрачной для световых лучей и замедлить скорость света, проходящего через неё.
Несмотря на свои преимущества, эти методы позволяют только реципрокный контроль групповой скорости (то есть скорости, с которой огибающая волнового пакета проходит через среду), а это означает, что световой луч будет вести себя одинаково независимо от направления его движения при прохождении через устройство.
Исследователи из Университета Манитобы в Канаде и Ланьчжоуского университета в Китае недавно продемонстрировали нереципрокный контроль скорости света с помощью устройства на основе полостной магноники — системы, которая связывает микроволновые фотоны (то есть кванты микроволнового света) с магнонами (то есть квантами колебаний спинов электронов в материалах).
Методы, основанные на магнонике, которые они использовали, описаны в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters. Эти методы могут способствовать развитию коммуникаций с микроволновыми сигналами, нейроморфных вычислений и квантовых схем.
В 2019 году группа Кана-Минга Ху, возглавляемая Ху, продемонстрировала новый метод создания диссипативной связи в гибридных системах полостной магноники. Их техника позволяет нереципрокно передавать сигналы со значительным коэффициентом изоляции и гибкой управляемостью.
В рамках своей более ранней работы Ху и его коллеги пытались манипулировать амплитудой света (то есть максимальной силой электрического или магнитного поля световой волны), распространяющегося только в одном направлении. Однако у света есть ещё одна фундаментальная характеристика — фаза, которая определяет, насколько «далеко вперёд» продвинулась световая волна относительно определённой контрольной точки.
«Фазовая манипуляция также имеет широкие последствия, поскольку она определяет скорость импульсов, передающих информацию по различным системам», — сказал Ху. «Основная цель этого нового исследования заключалась в том, чтобы ответить на следующий вопрос: позволит ли природа нам нереципрокно манипулировать фазой света, сохраняя при этом двунаправленную сопоставимую амплитуду передачи?»
Ключевая цель попыток замедлить скорость света — значительно изменить скорость световых импульсов без ущерба для эффективности их передачи. Обычно это достигается с помощью интерференционных эффектов в гибридных резонансных системах, известных как классический аналог эффектов ЭИП в квантовом режиме.
«В нашей работе мы создаём такую гибридную систему, используя фотонный режим диэлектрического резонатора и магнонный режим магнитной сферы из железоиттриевого граната (ЖИГ)», — пояснил Джигуан Яо, старший доктор философии и первый автор статьи. «Помимо обычных резонаторов, магнитные материалы обладают внутренней хиральностью — их спин прецессирует в фиксированном направлении, определяемом приложенным магнитным полем. Эту хиральность можно использовать для индуцирования нереципрокности, что стало возможным благодаря дополнительной диссипативной связи, введённой через общую микрополосковую линию. В результате мы создали нереципрокную и управляемую систему распространения света».
Чтобы продемонстрировать потенциал своего подхода, исследователи направили микроволновой импульс в разработанную ими систему полостной магноники с двух направлений. Когда они сравнили скорость этого импульса с эталонным путём, они обнаружили, что их метод позволил добиться поразительных эффектов задержки и опережения — нереципрокно.
«Световые и микроволновые импульсы служат носителями информации в различных областях, начиная от сигнальной связи и заканчивая нейроморфными вычислениями и квантовой обработкой сигналов», — сказал Джерри Лу, младший доктор философии и соавтор статьи. «Предыдущие попытки нереципрокного контроля электромагнитных волн были в основном сосредоточены на направленной манипуляции амплитудой — обеспечении передачи только в одном направлении. Эта концепция лежит в основе основных компонентов систем связи, таких как изоляторы и циркуляторы. Наше исследование впервые показало, что свет может распространяться в обоих направлениях, но с разной скоростью».
Многообещающий новый метод команды для нереципрокного контроля скорости света может вскоре позволить разработать различные передовые и ранее невообразимые технологии. Тем временем Ху и его исследовательская группа работают над дальнейшим улучшением своей методологии, надеясь усилить создаваемые ею эффекты задержки и опережения.
«Хотя эффект, продемонстрированный в нашей работе, впечатляет, достигнутая на данный момент задержка/опережение времени остаётся относительно скромной», — добавил Ху. «Усиление этого эффекта имеет важное значение для практического применения. В качестве первого шага мы планируем внедрить в наше устройство несколько новых методов для усиления эффекта. В более долгосрочной перспективе мы намерены изучить более широкий спектр сценариев применения».