Достигнут контроль скорости света без взаимности с помощью устройства на основе резонаторной магноники.
Управление скоростью света: перспективы и достижения
Надёжное управление скоростью, с которой свет проходит через объекты, может иметь ценные последствия 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.
Не взаимный контроль скорости света
Несмотря на свои преимущества, эти методы позволяют только взаимный 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.
Однако не взаимный контроль скорости света может быть столь же ценным, особенно для разработки передовых устройств, которым может быть полезно позволить сигналам распространяться в желаемых направлениях с желаемой скоростью.
Исследователи из Университета Манитобы в Канаде и Университета Ланьчжоу в Китае недавно продемонстрировали не взаимный контроль скорости света с помощью устройства на основе резонаторной 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, могут способствовать развитию систем связи с микроволновыми сигналами, нейроморфных вычислений и квантовых схем.
Достижения в области управления амплитудой и фазой света
В 2019 году группа Кана-Минга Ху, возглавляемая кафедрой динамической спинтроники в Университете Манитобы, продемонстрировала новый метод создания диссипативной связи в гибридных резонаторных магнонных системах.
Их техника, представленная в статье, опубликованной в Physical Review Letters, позволяет осуществлять не взаимную передачу сигналов 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.
Основной целью этого нового исследования был ответ на вопрос: позволит ли природа нам не взаимным образом манипулировать фазой света, сохраняя при этом двунаправленную сопоставимую амплитуду передачи?
Перспективы развития
Ключевой целью попыток замедлить скорость света является значительное изменение скорости световых импульсов без ущерба для эффективности их передачи. Обычно это достигается с помощью интерференционных эффектов в гибридных резонансных системах, известных как классический аналог 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)», — объяснил Джигуан Яо, старший аспирант и первый автор статьи.
Магнитные материалы обладают внутренней хиральностью — их спин прецессирует в фиксированном направлении, определяемом приложенным магнитным полем. Эту хиральность можно использовать для индуцирования невзаимности, используя дополнительную диссипативную связь, введённую с помощью общей микрополосковой линии. В результате мы создали систему с невзаимным и управляемым распространением света.
Чтобы продемонстрировать потенциал своего подхода, исследователи направили микроволновый импульс в разработанную ими систему с двумя входами. Когда они сравнили скорость этого импульса с эталонным путём, они обнаружили, что их метод позволил добиться заметных эффектов задержки и опережения — невзаимно.
«Свет и микроволновые импульсы служат носителями информации в различных областях, от сигнальной связи до нейроморфных вычислений и квантовой обработки сигналов», — сказал Джерри Лу, младший аспирант и соавтор статьи.
«Предыдущие попытки не взаимного управления электромагнитными волнами были в основном сосредоточены на направленной манипуляции амплитудой — обеспечении передачи только в одном направлении. Эта концепция лежит в основе важных компонентов в системах связи, таких как изоляторы и циркуляторы. Наше исследование впервые показало, что свет может распространяться в обоих направлениях, но с разной скоростью».
Новый метод команды по не взаимному контролю 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 эффекты задержки и опережения, которые она производит.
«Хотя эффект, продемонстрированный в нашей работе, впечатляет, задержка/опережение времени, достигнутая на данный момент, 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».