Звук поможет управлять свойствами светового излучения

Исследователи продемонстрировали возможность управлять пучками фотонов, произвольно изменяя их частоту практически со стопроцентной эффективностью. "Те возможности управления световым излучением, которые появились в результате этой работы, в самом деле потрясают", - отозвался об открытии эксперт в области фотонных кристаллов Эли Яблонович (Eli Yablonovitch) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

Суть эффекта (его открывателями являются сам г-н Иоаннопулос и его коллеги Эван Рид (Evan Reed) и Мартин Солячич (Martin Soljacic) в том, что можно менять частоту излучения, проходящего сквозь фотонный кристалл, при помощим возбуждения в кристалле ударных волн. Ранее изменение частоты светового излучения удавалось достичь лишь с помощью весьма сложных и дорогостоящих способов, многие из которых требовали к тому же внешних источников излучения очень большой мощности (иногда во много мегаватт и даже гигаватт) и при этом обладали ничтожной эффективностью.

Если эффект будет подтвержден, революционные изменения затронут множество сфер и областей промышленности - от преобразования инфракрасного излучения в видимое до пресловутых источников терагерцового излучения.

Фотонные кристаллы представляют собой многослойные среды, различные слои которых по-разному преломляют свет. Эти слои можно использовать для того, чтобы отражать только излучение определенных частот, позволяя свету другой частоты проникать сквозь данный слой. С их помощью можно управлять прохождением света по цепи, аналогично тому, как можно управлять электрическими токами, текущими в электронной схеме.

В процессе компьютерного моделирования свойств фотонных кристаллов удалось выяснить, что ударные волны, проходя сквозь кристалл, сжимают его и приводят к изменению его оптических свойств. Например, кристалл, который в нормальном состоянии пропускает красный свет, отражая зеленый, вдруг становится прозрачным для зеленого и отражает красный. А некоторые типы фотонных кристаллов вообще позволяют поймать свет в ловушку, образованную фронтами ударной волны.

Поскольку ударные волны движутся сквозь кристалл, частота света несколько меняется при отражении от ее фронта вследствие эффекта Допплера. Благодаря многократным отражениям от фронтов ударной волны световое излучение, продолжая распространяться в первоначальном направлении, постепенно изменяет частоту. При 10000 отражений, на что потребуется всего около 0,1 наносекунды, свет может радикально изменить цвет - например, с красного на голубой, или с видимого диапазона перейти в инфракрасный. В скором времени можно будет определить, излучение какой именно частоты сможет войти в кристалл и каким оно оттуда выйдет. "Мы сможем сделать то, что прежде было вообще невозможно представить", - резюмирует г-н Иоаннопулос. Например, появляется возможность "сжать" излучение широкого диапазона частот в более узкую область, чего невозможно достичь иными способами. В настоящее время ученые работают в сотрудничестве с коллегами из Ливерморской национальной лаборатории, надеясь создать демонстрационную модель эффекта. Изначально они возбуждали ударные волны в фотонном кристалле, стреляя в него пулей, что приводило к разрушению самого кристалла - однако того же самого эффекта можно добиться, возбуждая в кристалле обычные акустические волны.

Каким образом новый эффект изменит промышленность, пока трудно даже вообразить. Что особенно интересно - так это то, что он позволит исключительно эффективно генерировать волны терагерцового излучения, интенсивно изучаемые в настоящее время. Это излучение, в частности, обещает кардинально изменить облик медицинских диагностических систем, поскольку оно легче фокусируется и не столь опасно для живых тканей, как рентгеновские лучи.

Источник: по материалам журнала New Scientist.