Впервые для света продемонстрировано нарушение симметрии по отношению к обращению времени

У фотонов нет электрического заряда, ergo магнитное поле не может действовать на него: так нас учили в школе.

Поэтому-то человечество и эксплуатирует компьютеры на электронной, а не на оптической основе: именно контроль при помощи магнитных полей над электронами составляет основу компьютерной индустрии. Встречая магнитное поле, электрон огибает его окружности (грубо говоря). Этот механизм управления позволяет направить его в нужную сторону, а вот с фотоном так не получается.

Решение учёных из Стэнфордского университета (США) использует недавние подвижки в области фотонных кристаллов, материалов с периодическим изменением показателя преломления в разных пространственных направлениях. Благодаря варьирующемуся показателю преломления такие кристаллы могут как захватывать и удерживать, так и испускать фотоны. В экспериментальной установке, созданной группой Шань Хуэй Фаня, крохотные полости, выцарапанные на кремниевой подложке, сыграли роль фотонного кристалла. Прилагая электрический ток к сети полостей, формирующих кристалл, исследователи смогли контролировать или, как они это называют, гармонически настраивать фотонный кристалл для того, чтобы тот генерировал эффективное магнитное поле и накладывал силу Лоренца на фотоны.

Исследовательская группа под руководством Шань Хуэй Фаня впервые явила миру метод управления фотонами при помощи магнитного поля. (Здесь и ниже фото Norbert von der Groeben, Shanhui Fan et al.)

При этом им удалось изменить радиус траектории фотона, варьируя ток, приложенный к фотонному кристаллу, равно как и скорость фотона на входе в систему. Используя эти регулирующие механизмы, физики с высокой точностью воздействовали на общую траекторию фотона. 

Казалось бы, ничего особенно в этом нет: чтобы магнитное поле воздействовало на фотоны, оно должно влиять на посредника — фотонные кристаллы, что не новость. И тем не менее исследование очень и очень необычно. Дело в том, что учёные заявляют о достижении ими нарушения для света симметрии по отношению к обращению времени.

Резонирующая кристаллическая решётка позволила при помощи регулирования пространственного распределения фаз создать силу Лоренца, действующую на фотоны.

В инженерном отношении это означает, что фотон, двигающийся условно «вперёд», в такой системе будет иметь иные свойства, чем при перемещении «назад». «Нарушение симметрии по отношению к обращению времени критически важно, поскольку открывает совершенно новые возможности по управлению светом. — полагает г-н Фань. — Мы можем, например, полностью исключить движение света назад, уничтожив тем самым отражение». Кроме самоочевидных приложений этих необычных устройств, они, по мнению учёного, полностью ликвидируют рассевание и «шумы» в передаче информации по оптоволоконному кабелю.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Photonics, а с некоторыми подробностями работы можно ознакомиться здесь.

Подготовлено по материалам Стэнфордского университета.