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 использование так называемой электромагнитно индуцированной прозрачности (EIT), работают за счёт использования квантовых интерференционных эффектов в среде, которые могут сделать её прозрачной для световых лучей и замедлить скорость света.
Не взаимное управление скоростью света
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.
Однако не взаимное управление скоростью 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 взаимное управление скоростью 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 коммуникаций с микроволновыми сигналами, нейроморфных вычислений и квантовых схем.
Перспективы и выводы
«В 2019 году моя группа продемонстрировала новый метод создания диссипативной связи в гибридных системах резонаторной магноники», — рассказал Phys.org Кан-Мин Ху, руководитель группы динамической спинтроники в Университете Манитобы.
«Наша техника, представленная в статье, опубликованной в Physical Review Letters, обеспечивает не взаимную передачу сигнала со значительным коэффициентом изоляции и гибкой управляемостью».
В рамках своей предыдущей 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 опорной точки.
«Фазовая манипуляция также имеет широкие последствия, поскольку она определяет скорость импульсов, несущих информацию в различных системах», — сказал Ху.
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 EIT в квантовом режиме.
«В нашей работе мы создаём такую гибридную систему, используя фотонный режим диэлектрического резонатора и магнонный режим магнитной сферы из железоиттриевого граната (YIG)», — пояснил Джигуан Яо, старший доктор философии 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 за счёт дополнительной диссипативной связи, введённой через общий микрополосок. В результате мы создали систему с невзаимным и управляемым распространением 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 — 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 доктор философии 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 важнейших компонентов систем 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 управлению скоростью 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, задержка/опережение времени, достигнутая на данный момент, остаётся относительно скромной», — добавил Ху.
«Усиление этого эффекта имеет важное значение для обеспечения практических приложений. 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».