П'ятеро фізиків з Шанхайського університету Цзяо Тун (Китай) провели експеримент, в якому групова швидкість світлового імпульсу, що передається по оптоволокну, ставала негативною.

Щоб зрозуміти суть досвіду, необхідно згадати, що поширення випромінювання в середовищі можна охарактеризувати відразу декількома величинами. У найпростішому випадку монохроматичного пучка світла використовується, наприклад, поняття фазової швидкості Vф – швидкості переміщення певної фази хвилі в заданому напрямку. Якщо показник заломлення середовища, що залежить від частоти, дорівнює n (ν), то Vф = с / n (ν), де с – швидкість світла у вакуумі.

Завдання ускладнюється, коли ми розглядаємо проходження імпульсу, що містить кілька різних частотних компонентів. Імпульс можна уявити собі як результат інтерференції цих компонентів, причому в його піку вони будуть погоджені по фазі, а в «хвостах» буде спостерігатися деструктивна інтерференція (див. рис. Нижче). Середа з залежать від частоти показником заломлення змінює характер інтерференції, змушуючи хвилі кожної окремої частоти поширюватися зі своєю фазовою швидкістю; якщо залежність n від ν лінійна, то результатом змін буде временнóе зміщення піку, тоді як форма імпульсу залишиться колишньою. Для опису такого руху використовують групову швидкість Vг = с / (n (ν) + ν • dn (ν) / dν) = с / nг, де nг – груповий показник заломлення.

Світловий імпульс (илл

При сильній нормальної дисперсії (dn (ν) / dν> 0) групова швидкість може на декілька порядків поступатися швидкості світла у вакуумі, а в разі аномальної дисперсії (dn (ν) / dν <0) – опинитися більше с. Більше того, досить сильна аномальна дисперсія (| ν • dn (ν) / dν |> n) дає негативні значення Vг, що призводить до дуже цікавих ефектів: у матеріалі з nг <0 імпульс поширюється у зворотному напрямку, і пік переданого імпульсу виходить із середовища раніше, ніж пік падаючого імпульсу в неї входить. Хоча така негативна временнáя затримка здається протиприродною, вона жодним чином не суперечить принципу причинності.

Поширення свето

Наведені вище рівності показують, що негативна групова швидкість досягається при досить швидкому зменшенні показника заломлення з ростом частоти. Відомо, що подібна залежність виявляється у районі спектральних ліній,області сильного поглинання світла речовиною.

Китайські вчені побудували свій експеримент за вже відомою схемою, в основі якої лежить нелінійний процес вимушеного бріллюеновского розсіяння (ВБР). Цей ефект проявляється як генерація стоксовой хвилі, що поширюється в протилежному (по відношенню до падаючої хвилі, часто званої накачуванням) напрямку.

Суть ВБР полягає в наступному: в результаті електрострикції (деформації діелектриків в електричному полі) накачування створює акустичну хвилю, яка модулює показник заломлення. Створена періодична решітка показника заломлення рухається зі звуковою швидкістю і відображає – розсіює внаслідок брегговской дифракції – частина падаючої хвилі, причому частота розсіяного випромінювання відчуває доплеровский зрушення в довгохвильову область. Саме тому стоксово випромінювання має меншу, ніж у накачування, частоту, і ця різниця визначається частотою акустичної хвилі.

Якщо стоксово випромінювання «запускати» в напрямку, протилежному поширенню падаючої хвилі, воно буде посилюватися в процесі ВБР. У той же час випромінювання накачування буде відчувати поглинання, що, як ми вже говорили, необхідно для демонстрації негативної групової швидкості. Використовуючи 10-метровий закільцьований відрізок одномодового оптоволокна, автори виконали умови спостереження негативною Vг і отримали групову швидкість, які доходили до -0,15 • с. Груповий показник заломлення при цьому виявився дорівнює -6,636.

За матеріалами: ScienceNOW.

Tweet