Достигнут контроль скорости света без взаимности с помощью устройства на основе резонаторной магноники.
Надёжное управление скоростью, с которой свет проходит через объекты, может иметь ценные последствия для разработки различных передовых технологий, включая системы высокоскоростной связи и устройства для обработки квантовой информации.
Обычные 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 взаимное управление групповой скоростью (то есть скоростью, 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. Тем не менее, управление скоростью света без взаимности может быть столь же ценным, особенно для разработки передовых устройств, которым может быть полезно пропускать сигналы в желаемых направлениях с желаемой скоростью.
Исследователи из Университета Манитобы в Канаде и Ланьчжоуского университета в Китае недавно продемонстрировали управление скоростью света без взаимности 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 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 резонаторной магноники. Их техника позволяет осуществлять нереципрокную 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.
«Управление фазой также имеет широкие последствия, поскольку оно определяет скорость импульсов, несущих информацию в различных системах», — сказал Ху. «Основной целью этого нового исследования был ответ 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 аспирант и первый автор статьи. «Помимо обычных резонаторов, магнитные материалы обладают внутренней хиральностью — их спин прецессирует в фиксированном направлении, определяемом приложенным магнитным полем. Этой хиральностью можно управлять для создания нереципрокности, используя дополнительную диссипативную связь, введённую с помощью общей микрополосковой линии. В результате мы создали систему нереципрокного и управляемого распространения света».
Чтобы продемонстрировать потенциал своего подхода, исследователи направили микроволновый импульс в разработанную ими систему резонаторной магноники с двух направлений. Когда они сравнили скорость этого импульса с эталонным путём, они обнаружили, что их метод обеспечивает поразительные эффекты 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 аспирант и соавтор статьи. «Предыдущие попытки нереципрокного управления электромагнитными волнами были сосредоточены в основном на направленной манипуляции амплитудой — обеспечении передачи только в одном направлении. Эта концепция лежит в основе важнейших компонентов систем связи, таких как изоляторы и циркуляторы. Наше исследование впервые показало, что свет может распространяться в обоих направлениях, но с разной скоростью».
Перспективный новый метод команды для нереципрокного управления скоростью света может вскоре позволить разработать различные передовые и ранее невообразимые технологии. Тем временем Ху и его исследовательская группа работают над дальнейшим совершенствованием своей методологии с целью усиления создаваемых ею эффектов задержки и опережения.
«Хотя эффект, продемонстрированный в нашей работе, впечатляет, достигнутая на данный момент задержка/опережение 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».