Учените пресъздадоха аналог на черна и бяла дупка

Всеки от нас е чувал за черните дупки – космически чудовища, чиято гравитация е толкова силна, че дори светлината не може да избяга от тях. Мистериозни, привлекателни и леко плашещи предмети. Но чували ли сте за хипотетични „бели дупки“? Това са тяхната пълна противоположност: обекти, в които според теорията не може да се влезе отвън, те само излъчват материя и енергия. Това са един вид космически „избивачи“.

Ами ако нещо подобно може да бъде създадено не в космически мащаб, а тук на Земята? И не става дума за масивни тела, а… за светлина? Представете си устройство, което се превръща в абсолютен капан за една част от светлинния поток, поглъщайки го без следа, а за друга — в непроницаема стена, отразяваща и последния фотон. Звучи интригуващо, нали? Това е точно концепцията, която учените демонстрираха наскоро.

Игра на светлина: Когато вълните решават всичко

В основата на това „оптично чудо“ лежи феномен, познат ни от училище — смущенията. Помните ли как две вълни върху вода, когато се срещнат, могат или да се подсилят една друга (ако гребените се срещнат), или да се компенсират взаимно (ако гребена срещне падина)? Същото се случва и със светлината, защото светлината също е вълна (електромагнитна, за да бъдем точни).

Сега си представете най-тънкия филм, способен да абсорбира светлина. Сам по себе си той може да поглъща само част от падащата светлина, а останалата част ще премине или ще бъде отразена. Но какво ще стане, ако две светлинни вълни едновременно бъдат насочени към този филм, така че да са кохерентни (т.е. фазите им да бъдат координирани, като войници в рота)?

Тук започва забавлението. Ако условията са избрани така, че вълните да се срещат на филма „във фаза“ (гребен с гребен), те ще се подсилват взаимно точно в точката на взаимодействие с материала на филма. Това се нарича конструктивна намеса. В резултат на това филмът ще погълне много повече светлина, а в идеалния случай цялата! Светлината ще се окаже в капан.

Ами ако вълните се срещнат „в противофаза“ (гребен с падина)? Те ще се компенсират взаимно в точката на контакт на филма. Огледало!

Магически кът: Как се прави?

Как да накараш светлината да се намесва сама върху тънък филм? Решението се оказа изненадващо елегантно. Учените са взели две обикновени стъклени призми с прав ъгъл и са ги свързали чрез техните хипотенузи. И върху една от хипотенузите преди връзката е нанесен същият тънък абсорбиращ филм (в експеримента е използван хром, но други материали също са подходящи). Оказало се един вид „ъгъл“.

Сега нека насочим лъч светлина върху този ъгъл. Важно е светлината да е пространствено кохерентна. Звучи сложно, но всъщност това свойство присъства в светлината от лазер или дори много далечни източници, като звездите. Техните лъчи идват при нас в почти съвършено успоредни вълни с подреден „фронт“.

Когато такъв лъч попадне на входната повърхност на нашето устройство, той се отразява частично от хипотенузите на призмите (поради пълно вътрешно отражение, както при оптичните влакна) и се насочва едновременно към тънкия филм и от двете страни! Освен това тези две части на лъча са абсолютно кохерентни, защото са родени от един и същ източник. Създадени са идеални условия за смущения!

Поляризацията решава: черно или бяло?

Но защо устройството се държи различно за отделните части на света? Къде са обещаните „черни“ и „бели“ дупки? Тайната е в поляризацията на светлината.

Светлината е напречна вълна, нейното електрическо поле осцилира перпендикулярно на посоката на разпространение. Линейно поляризираната светлина е светлина, при която тези трептения се случват строго в една равнина.

Така че нашето устройство реагира на ориентацията на тази равнина на трептения:

1. S-поляризация („черна дупка“): Ако светлината е поляризирана перпендикулярно на равнината на падане върху филма (грубо казано, нейното електрическо поле осцилира успоредно на самия филм), тогава когато се отразява от хипотенузните „огледалата“, нищо особено не се случва с нея по отношение на фазата. Ето! Филмът поглъща почти целия свят.
2. P-поляризация („бяла дупка“): Но ако светлината е поляризирана в равнината на падане (електрическото поле осцилира перпендикулярно на филма), когато се отразява от огледалата под ъгъл, възниква интересен ефект, свързан с така наречената геометрична фаза (или фаза на Бери-Панчаратнам). Без да навлизаме в дълбините на квантовата механика и оптика, нека го кажем просто: една част от лъча получава фазово изместване в една посока, а другата в обратна посока. В резултат на това, когато достигнат филма, те завършват в противофаза. Намесата е разрушителна! Електрическото поле на филма е затихнало и почти няма абсорбция. Цялата p-поляризирана светлина се отразява от устройството. За него нашият ъгъл е оптически бяла дупка.

Оказва се, че самото устройство „сортира“ светлината чрез поляризацията: единият тип улавя, другият отблъсква. И всичко това, теоретично, работи за светлина с всякаква дължина на вълната, тоест е широколентова!

За какво е това? От звездна светлина до стелт технология

Звучи ви като сложна физическа играчка? Не съвсем. Такова устройство има много потенциални приложения:

• Идеални поляризатори: Той разделя светлината чрез поляризация по-ефективно от много съществуващи аналози.
• Комбайни за енергия: Възможно е да се конфигурира система за абсорбиране на светлината със специфична поляризация за фотоволтаични клетки.
• Стелт технологии: Осигурява покритие, което перфектно абсорбира радиовълните с една поляризация (напр. от радар).
• Високочувствителни детектори: Може да се открият много слаби сигнали или промени в кохерентността на светлината.
• Преразпределение на светлината: Контролиране накъде отива светлината въз основа на нейните свойства.

Разбира се, засега това са експериментални образци. В действителност постигането на 100% абсорбция или отражение е възпрепятствано от различни фактори: неидеалност на материалите, дифракция по краищата и точност на производство. При проведените експерименти поглъщането достига 91%, а отразяването —- 85%, което вече е много добре!

Основното е самият принцип. Оказва се, че при контрола на интерференцията на кохерентните вълни върху тънък абсорбатор, може да се накара светлината да се държи неинтуитивно: или напълно да „падне“ в материала, или да се отрази от него, като от идеално огледало. И всичко това се определя само от неговата поляризация.

Тази идея, между другото, е приложима не само за светлината. Подобни ефекти на кохерентно поглъщане/отражение са демонстрирани и за звукови вълни. Така че способността да се контролират вълните чрез смущения отваря вратата към много интересни технологии на бъдещето. Кой знае, може би скоро ще се научим да създаваме материали, които ще „избират“ кой звук или радиовълна да пропускат и кои да блокират завинаги? Времето ще покаже.