Скорость света — величина хоть и конечная, но абсолютно недостижимая (по крайней мере, на сегодня) для частиц материи, отличных от фотонов.
В вакууме она достигает почти 300 тысяч километров в секунду, но в любом другом веществе (вода, газ, стекло) фотоны движутся несколько медленнее. Будучи осведомлёнными об этом факте, физики научились использовать природу света и подстраивать её под себя.
В 1999 году исследователям удалось замедлить скорость света до 17 километров в секунду, что стало рекордом на тот момент. В 2003 году та же группа учёных побила свой собственный рекорд и остановила свет полностью на доли секунды. В начале 2013 года физики значительно увеличили время задержки света — до 16 секунд, и сделали они это при помощи охлаждённых атомов газа.
Сегодня побиты все предыдущие рекорды в области остановки света. Пучок фотонов удалось задержать на целую минуту: за это время он бы двадцать раз успел слетать к Луне и обратно. Команда учёных из университета Дармштадта (Technischen Universität Darmstadt) провела эксперимент с двумя лучами лазера и кристаллом, прозрачность которого можно было регулировать. Технология, которую они применили, называлась электромагнитно-индуцированной прозрачностью (electromagnetically induced transparency).
Георг Хайнце (George Heinze), Томас Хальфман (Thomas Halfmann) и их коллеги взяли для эксперимента непрозрачный (то есть не пропускающий свет вовсе) кристалл. Они охладили его до очень низкой температуры и направили на него луч лазера. Лазер перевёл атомы кристалла в состояние квантовой суперпозиции, вследствие чего он стал прозрачным для света строго определённых частот. Затем на кристалл направили другой луч лазера подходящей частоты; он прошёл сквозь грань и попал вовнутрь, параллельно “выключив” первый лазер и сделав кристалл вновь непрозрачным.
Время, которое свет проведёт “взаперти”, зависит от квантовой суперпозиции атомов кристалла. Увеличить длительность задержки света можно при помощи магнитного поля, но в таком случае будет сложнее контролировать конфигурацию лазера. Хайнце и его команда испробовали множество разных комбинаций лазеров и магнитов, пока одна из них, в конце концов, не дала нужного результата.
Чтобы доказать работоспособность технологии, физики также сохранили и воспроизвели изображение трёх горизонтальных полос.
Изображение трёх горизонтальных полос, созданное учёными (фото Technischen Universität Darmstadt).
“Таким образом мы наглядно показали, что сложную информацию, такую как изображение, можно запечатлеть с помощью нашей методики”, — говорили Хайнце.
Достижение немецких физиков важно далеко не только для фундаментальной науки. При помощи этой технологии можно будет создать квантовый повторитель — устройство, передающее сигналы из одного кабеля в другой без маршрутизации или фильтрации пакетов. Квантовый повторитель сможет останавливать и вновь испускать пучки фотонов, что необходимо для работы квантовых сетей, простирающихся на большие расстояния по всему миру.
Для дальнейшего прогресса технологии необходимо повторить эксперимент только уже с другим веществом, поскольку для использованного материала минута — это предел возможностей.
О результатах эксперимента и его потенциальных практических применениях немецкие физики рассказали в своей статье, которая вышла в журнале Physical Review Letters.
Как видно, скорость светового потока может сильно варьироваться, вплоть до “заморозки”. Добавим, что бывало и так, что скорость светового потока становилась отрицательной (вот уж до чего замысловата физика!).
В 2006 году придать столь необычные свойства свету смогли физики университета Рочестера. Заметим, что отрицательная скорость – это, по сути, обращение при помощи соответствующих материалов светового потока вспять. Но не всё так просто, как кажется: возвращается “горб” светового импульса. В анимационном ролике ниже показано движение таких “горбов”. Синим пунктиром обозначены вход и выход из оптоволоконного канала. Красный график иллюстрирует движение световых импульсов. На выходном конце ещё до входа света в оптоволокно рождается пик-близнец, который успевает вернуться и “аннулировать” пик ещё только входящего сигнала, в результате чего общая скорость и становится отрицательной.
