Российские и немецкие ученые описали ситуацию, когда происходит самоостановка света — явление, при котором скорость световых импульсов падает в миллионы раз, вплоть до нуля. Оказалось, что в определенных условиях излучение в резонансно поглощающей среде создает для себя «потенциальную яму», из которой затем не может выйти. Это происходит за счет обволакивания материей безмассовых фотонов, и в результате они могут остановиться. Работа, поддержанная грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликована в журнале Physical Review Letters.
Фотоны — частицы света — не имеют массы. Теория относительности гласит, что из-за этого единственная скорость, с которой они могут двигаться в пространстве, — скорость света, а находиться в состоянии покоя безмассовые частицы вообще не способны. Однако ученые из Санкт-Петербургского государственного университета, Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе и Ганноверского университета имени Готфрида Вильгельма Лейбница создали математическую модель, которая описывает условия и процесс остановки света.
«Эта удивительная ситуация может происходить, если фотоны движутся в определенных нелинейных средах, которые называют резонансными. Они обладают собственным свечением с такой же частотой, какую имеют попадающие на них фотоны. Благодаря этому колебания света поглощаются частицами среды, что приводит к передаче большого количества энергии от света материи. Одновременно возможен и обратный процесс передачи энергии от вещества свету», — рассказывает соавтор исследования Николай Розанов, специалист в области лазерной физики и нелинейной оптики, член-корреспондент РАН и главный научный сотрудник ФТИ имени А. Ф. Иоффе и СПбГУ.
Авторы исследовали остановку фотонов на примере импульсов света крайне малой длительности, которые могут излучать современные лазерные системы. Оказалось, что, проходя через резонансно поглощающую среду, частицы тесным образом начинают взаимодействовать с ней, формируя сильно связанные состояния возбужденной материи и света, которые можно рассматривать как некоторую новую частицу. Среда обволакивает свет, и за счет такой оболочки из вещества фотоны приобретают массу. Подобные образования могут продолжить двигаться в изначальном направлении с высокой скоростью, изменить направление или полностью остановиться. Поведение частицы зависит от ее энергетического состояния: иногда ей может быть более выгодно снизить скорость до нуля.
В последнем случае световой импульс застревает в среде, не доходя до наблюдателя. В зависимости от некоторых параметров он способен застревать на заданном расстоянии от границы среды. Это может иметь практический интерес: например, благодаря такому эффекту возможно нацелить свет на определенные объекты, расположенные внутри среды. Явление не противоречит фундаментальным физическим законам, так как речь идет о скорости движения светового импульса, в котором происходит активное поглощение и испускание света, а не о движении фотонов в пустом пространстве, которое всегда происходит со скоростью света.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
