Що таке внутрішнє віддзеркалення? – Ч. 2

Прикладом фотонного бар'єру для хвиль, що падають під закритичних кутами, служить зазор між призмами. Така ідея спиралася на вже згадане формальне подібність стаціонарного рівняння Шредінгера і рівняння, що описує проходження світла через фотонний бар'єр; тільки тепер порівняння йшло в зворотному напрямку: динаміку частинок намагалися дослідити за допомогою оптичної аналогією.

Ця аналогія заснована на залежності пропускання фотонного бар'єру від частоти хвилі. При тунелюванні оптичного імпульсу, що містить хвилі різних частот, різниця в пропущенні може викликати спотворення огинаючої і зміщення її максимуму. Порівняння огибающих двох однакових імпульсів, один з яких поширюється у вільному просторі, а інший тунелює через бар'єр, дозволило б прояснити питання про сверхсветовой швидкості максимуму.

Відповідний експеримент був виконаний в 1993 році в одній зі столиць сьогоднішньої фізики – у Берклі; бар'єром служив багатошаровий світлофільтр, пропускання якого не перевищувало одного відсотка. Автори оголосили про успіх: максимум світлового імпульсу, туннелирующих через бар'єр товщиною 3,6 мікрона, переміщався зі швидкістю V, перевищує швидкість світла в порожнечі в півтора – два рази. Обговорюючи цю сенсацію, автори відзначили і обставини, кілька заглушують переможні фанфари:

1. Зсув максимуму виникає через інтерференції падаючої і відбитої частин імпульсу, коли головна частина, відбиваючись, гасить набігає хвостову частину. Відображення при такому процесі велике (повне внутрішнє віддзеркалення!), Так що хвостова частина пройшов імпульсу майже зникає; обвідна втрачає симетрію, максимум зсувається в напрямку головної частини, а імпульс, що пройшов через бар'єр, зовсім не схожий на падаючий імпульс.

2. Навіть у цьому, спотвореному, імпульсі для впевненої реєстрації якої точки на огинаючої потрібно різка зміна огинаючої в ній (наприклад, розрив), а поблизу максимуму обвідна змінюється, навпаки, дуже повільно. Щоб помітити таке повільне зміна, треба реєструвати профіль імпульсу на великому інтервалі часу, порівнянній з тривалістю самого імпульсу, що зводить нанівець практичну цінність такої "сверхсветовой" зв'язку. При цьому швидкість максимуму, підкреслюють автори, не є швидкість імпульсного сигналу, так що жаданий ефект ("світло швидше світла") в цьому досвіді не спостерігався, та й швидкість передачі енергії за допомогою туннелирующих імпульсу виявилася менше швидкості світла с.

3. Спроби використання таких бар'єрів для прискореної передачі інформації підстерігає і інша трудність: як уже зазначалося, для сильної деформації імпульсу, визначальною помітний зсув максимуму, потрібно широкий бар'єр, а пропущення такого бар'єру експоненціально падає при зростанні його ширини, так що минулий сигнал стає важко розрізнити на фоні шумів.

Труднощі створення сверхсветовой тунельної лінії передачі були очевидні. Однак уже не вперше спокуса хоч у чомусь порушити заборону теорії відносності виявився привабливий, і в літературі замиготіли проекти сверхсветовой зв'язку; з'явилася навіть рекламна затія – передавати навіщось симфонії Бетховена зі швидкістю 2с.

Але головне – відкритими залишалися ключові питання: чи можна, хоча б гіпотетично, обговорювати туннелирование фотонів з надсвітловою швидкістю? Іншими словами, чи можна поширювати фундаментальний заборону на такі швидкості, сформульований раніше для хвиль, частота і довжина хвилі яких пов'язані однозначно, на туннелирующих хвилі, у яких довжина хвилі взагалі не визначена?

Коли на шляху створення фотонних бар'єрів з традиційних оптичних матеріалів виникли бар'єри принципові, автори фантастичних проектів почали шукати опору в нових оптичних матеріалах, так званих метаматеріалів.

Вікна прозорості в фотонному бар'єрі
Метаматеріали – штучні середовища з незвичайними оптичними властивостями, недосяжними в природних середовищах. Інтерес до них виник ще в 1948 році, коли в технічному журналі фірми "Bell" був описаний штучний кристал, призначений для дисперсії (розкладання по частотах) сантиметрових радіохвиль, що випромінюються радаром.

У природі таких кристалів немає, і новинка являла собою куб із пластику, усередині якого періодично розташовувалися металеві кульки і кільця, що визначають ємність та індуктивність "кристалічної решітки". Розміри кульок і кілець і період решітки вимірювалися міліметрами, так що власні частоти цього рукотворного кристала лежали в діапазоні декількох гігагерц, відповідному довжинам радіохвиль кілька сантиметрів.

У наступні десятиліття в результаті успіхів нанотехнології з'явилися оптичні елементи з розмірами в десятки тисяч разів меншими, ніж у прототипу 1948 року. Ці елементи були затребувані оптикою видимого та інфрачервоного діапазонів; так, тонкі діелектричні плівки, товщина яких d ≈ 100 нм (10-4 мм) менше довжини світлової хвилі, знайшли застосування в багатошарових оптичних фільтрах, відбивач і безвідбивних покриттях. Новий напрямок, породжене такою мініатюризацією, знайшло сучасне ім'я – нанооптика. В останні роки наноплівки з унікального дива техніки перетворилися на комерційний продукт знаменитих фірм "Spectragon"(Англія),"Jenoptik"(Німеччина),"Gradient Optics"(CША).

Назва фірми "Gradient Optics"Відобразило новітній напрям в хвильової фізики – градієнтну оптику, пов'язану з властивостями неоднорідних діелектричних матеріалів, оптичні властивості яких, наприклад показник заломлення і швидкість хвилі, безперервно змінюються по заданому закону уздовж шляху поширення світла всередині матеріалу.

Сучасні технології – травлення, фотолітографія або імплантація іонів – дозволяють створити прозорі плівки товщиною близько 100 нанометрів, профіль показника заломлення яких всередині неї нагадує увігнуту параболу. Такі плівки, що мають характерну частоту відсічення (різке падіння коефіцієнта пропускання), лежачу в ближньому інфрачервоному діапазоні, утворюють фотонний бар'єр для низькочастотної частини спектра: хвилі з частотою нижче частоти відсічення (наприклад, середній ІЧ-діапазон), туннелирующих через цей градієнтний бар'єр в режимі порушеного повного внутрішнього відбиття (НПВО).

Інтерференція падаючої і відбитої хвиль усередині такого бар'єру визначає незвичайні властивості цього режиму, неможливі при тунелюванні через однорідний бар'єр:
1. Безвідбивачеві тунелювання, відповідне відсутності відображення і 100%-ному переносу енергії туннелирующих хвилями в деякому діапазоні частот; при цьому імпульс, спектр якого лежить в зазначеному діапазоні, буде туннелировать майже як ціле, з малими спотвореннями ("вікно прозорості").
2. Стрибок фази хвилі, туннелирующих через бар'єр товщиною d, може перевищувати безперервний набіг фази, накопичений при поширенні такої ж хвилі зі швидкістю с на відстань d в вакуумі. Фаза такий туннелирующих хвилі "забігає вперед" у порівнянні з фазою вільно розповсюджується хвилі; при цьому минулий імпульс виявляється промодулирован по фазі, а його форма може помітно спотворитися.

Наслідки цих результатів для нанооптікі і наноелектроніки ще належить оцінити. Правда, "надсвітловою швидкістю імпульсу як цілого" і в градієнтному бар'єрі не досягається: дуже високі частоти, що входять в спектр імпульсу, не туннелирующих, але частково відбиваються, а проте частка енергії імпульсу в цих високих частотах зникаюче мала.

Режим повної передачі енергії при НПВО дозволить звільнити тунельні експерименти з фотонними бар'єрами від обмежень, пов'язаних з малим числом фотонів, що просочилися через бар'єр; при цьому туннелирующих імпульси, зберігши, наприклад, 99% своєї енергії, забезпечать фазовий випередження таких же імпульсів, не випробували туннелирование . В прикладних задачах градієнтні середовища відкривають нові перспективи для створення субволнових, тобто з розмірами меншими, ніж довжини хвиль, пристроїв електромагнітного діапазону, та й не тільки електромагнітного.

"Називати різні предмети одним ім'ям …"
Багато уявлення про хвильових процесах народилися в зв'язку із завданнями акустики; фізичні основи і математичний апарат такої теорії заклав лорд Релей ще в 1874 році в книзі "Теорія звуку". Сформувавшись пізніше, теорія електромагнітних хвиль увібрала в себе багато понять з акустики: дисперсія, хвилепровідий режим, фазова і групова швидкість. Останнім часом виник і зустрічний потік – концепції оптики та радіофізики починають проникати в акустику. Так, можливості синтезу матеріалів, швидкість звуку в яких міняється уздовж шляху розповсюдження, підштовхнули до думки про градієнтної акустиці (аналогія градієнтної оптики).

Продовжуючи аналогію, можна уявити собі неоднорідний акустичний бар'єр, поширення звуку в якому описується тим же хвильовим рівнянням, що й поширення світла через фотонний бар'єр (як казав Гіббс, "… одне ім'я для різних предметів"!). При цьому виникнуть і умови для тунелювання звуку через цей неоднорідний шар, і безвідбивачевий ефект, і надзвуковий фазовий зсув – все, чим запам'ятався нам фотонний бар'єр. Правда, на відміну від сверхсветових цей надзвуковий фазовий зсув не здається "потрясінням основ".

Фізики-прикладники ще не встигли реалізувати нові ідеї в пристроях оптоелектроніки, як в градієнтної оптики виник новий проект – "електромагнітна маска". Маска являє собою градієнтний шар діелектрика, нанесений на поверхню тіла, що розсіює електромагнітні хвилі, наприклад металевого кулі. Хвилі певної частини спектра, падаючи на кулю, не розсіюються, але, обігнувши його по діелектричних шару, продовжують поширюватися в колишньому напрямі.

Куля видно не буде і тіні відкидати не стане! Така "шапка-невидимка" відповідає тільки ідеалізованої моделі; в реальній задачі деякий розсіювання таки виникне, але оптимальний підбір параметрів градієнтного шару дозволить істотно ускладнити спостереження за предметом, зробить його майже невидимим. Як створити чарівний шар – завдання технологів, які вже розробляють покриття для літаків і субмарин, які роблять їх невидимими для радарів і сонарів. В очікуванні дива можна ще раз згадати пророчі слова П. Л. Капіци: "Майбутнє техніки – це фізика в її додатках".

Джерела інформації:

  • inauka.ru – посилання на статтю ефект повного внутрішнього відбиття: сенсація на стику двох наук;
  • ru.wikipedia.org – матеріал з Вікіпедії – вільної енциклопедії;
  • cultinfo.ru – посилання на статтю повне внутрішнє відбиття.

Category: Наука та освіта

Comments (Прокоментуй!)

There are no comments yet. Why not be the first to speak your mind.

Leave a Reply