Создана иллюзия сверхсветовых фотонов в наноматериалах
Обычно время путешествия света сквозь кусок какого-нибудь вещества линейно зависит от толщины преодолеваемого слоя и его показателя преломления. Но для наноматериалов это правило может нарушаться, и порой самым парадоксальным образом, что на опыте продемонстрировали специалисты из Объединённого института квантовой физики (Joint Quantum Institute — JQI).
Исходя из простой логики и законов физики кажется, что при «полёте» через несколько разных веществ последовательно время путешествия фотона должно быть суммой времени прохождения им каждого слоя. Однако реальность порой отказывается работать по такой схеме.
Учёные построили «бутерброд», поочерёдно составив вместе три десятка слоёв двух типов диэлектриков с высоким (H) и низким (L) значением показателя преломления. Каждый слой насчитывал в толщину по 80 и 89 нанометров (для разных материалов соответственно).
Отдельные фотоны в пучке могут как отражаться от границы таких слоёв, так и перемещаться дальше.
Слева: эффект сильного изменения времени путешествия света при добавке всего одного слоя.
Справа: взаимодействие проходящей волны с границами слоёв (иллюстрации Joint Quantum Institute).
Согласно авторам установки, прохождение фотонов через такой «бутерброд» идентично эффекту Хартмана (Hartman effect), при котором время квантового туннелирования частиц через барьер в какой-то момент перестаёт зависеть от растущей толщины барьера, что, по идее, может приводить к появлению иллюзии сверхсветового движения.
Однако физиков из JQI заинтересовало совмещение данного эффекта с другим аспектом работы такого «бутерброда»: американцы показали на практике огромную его чувствительность к добавлению всего одного слоя диэлектрика. Это, по мнению учёных, наглядно выявляет фокусы, проистекающие из волновой природы света, а ещё — служит великолепной физической моделью для изучения явления квантового туннелирования.
Исходный набор слоёв отдельные (подсчитанные) фотоны (а вернее — импульсы) преодолевали за 12,84 фемтосекунды, что, как нетрудно подсчитать, заметно медленнее скорости света в вакууме. Добавление же в конец «бутерброда» всего одного слоя типа L приводило к совершенно непропорциональному росту времени прохождения «бутерброда».
Прибавка составила 3,52 фемтосекунды (сумма — уже 16,36 фс). А ведь чисто математически один слой (исходя из его толщины и индекса преломления) должен был прибавить лишь 0,59 фс.
Но ещё более поразительный эффект наблюдался, если в конец «сэндвича» добавляли один слой не L, а H. Время преодоления всего набора сокращалось до 5,34 фс, что для «бутерброда» общей толщиной примерно 2,6 микрометра равноценно скорости, существенно большей, чем пресловутая c.
Время распространения фотонов (по вертикали, фс) в зависимости от числа слоёв (по горизонтали, в парах штук, N) и от архитектуры «бутерброда» (чередование H-L-H-L, либо L-H-L-H и так далее, плюс добавка H или L). Сплошная наклонная прямая – движение света через слой вакуума той же толщины.
Кривые – теоретические графики для разных вариантов установки, высчитанные авторами, четыре крупных значка – результат реального измерения, согласующийся с предсказанным.Видно, что слоёная система «сэндвича» способна создать условия как для замедленного (точки выше прямой), так и сверхсветового (точки, лежащие ниже прямой) перемещения частиц света (иллюстрация Natalia Borjemscaia et al./Joint Quantum Institute/Optical Society of America).
Учёные из JQI объяснили, почему так происходит. Хотя в начале и конце своего пути (от источника к детектору) фотоны выступают скорее как частицы, внутри «сэндвича» они работают как волны.
При этом часть волн проходит прямо, часть отражается от границ слоёв и интерферирует с «прямыми» волнами. Это наложение приводит к возникновению в системе «опережающих» фотонов, которые выглядят как передвигающиеся быстрее света.
Однако никакая информация быстрее света не передаётся, поскольку только малая доля фотонов в очень большом пучке (энной длительности) проникает через весь «сэндвич». Если бы детектор на другом конце «трассы» зафиксировал все испущенные вначале фотоны, он показал бы обычное распределение их во времени, то есть нормальную форму импульса.
Детали эксперимента можно найти в статье в Optics Express.
Заметим, только недавно в космосе впервые была измерена сверхсветовая скорость. А уж в лабораторных условиях физики чего только со светом не проделывают: втискивают его в ультраузкие отверстия, сгибают в свободном пространстве, заставляют течь, сверхфокусироваться, преодолевать дифракционный предел и пятиться задом наперёд, а ещё создают для лучей антизеркала и суперзеркала.
What Is The Speed of Dark?
