Вчені відтворили аналог чорної та білої дірки

Кожен з нас чув про чорні діри — космічні монстри, гравітація яких настільки сильна, що з них не може вирватися навіть світло. Загадкові, привабливі і трохи лякаючі об’єкти. Але чи чули ви про гіпотетичні «білі діри»? Це їхня повна протилежність: об’єкти, в які, згідно з теорією, неможливо потрапити ззовні, вони лише викидають матерію та енергію. Такі собі космічні «вишибали».

А якщо щось схоже можна створити не в масштабах космосу, а тут, на Землі? І не для масивних тіл, а… для світла? Уявіть собі пристрій, який для однієї частини світлового потоку стає абсолютною пасткою, поглинаючи його без залишку, а для іншої неприступною стіною, відбиваючи все до останнього фотона. Звучить інтригуюче, чи не так? Саме таку концепцію і продемонстрували нещодавно вчені.

Гра світла: Коли хвилі вирішують все

В основі цього «оптичного дива» лежить явище, знайоме нам ще зі школи – інтерференція. Пам’ятаєте, як дві хвилі на воді, зустрічаючись, можуть або посилити один одного (якщо гребені збігаються), або погасити (якщо гребінь зустрічається з западиною)? Зі світлом відбувається те саме, адже світло — це теж хвиля (електромагнітна, якщо бути точним).

Тепер уявіть найтоншу плівку, здатну поглинати світло. Сама собою вона може поглинути лише частину падаючого світла, решта пройде наскрізь чи позначиться. Але що, якщо на цю плівку спрямувати дві світлові хвилі одночасно, та так, щоб вони були когерентними (тобто їхні фази були б узгоджені, як у солдатів у строю)?

Ось тут і починається найцікавіше. Якщо підібрати умови так, щоб хвилі зустрілися на плівці «у фазі» (гребінь із гребенем), вони посилять одна одну саме у місці взаємодії з матеріалом плівки. Це називається конструктивна інтерференція. В результаті плівка поглине набагато більше світла, в ідеалі взагалі весь! Світло потрапило у пастку.

А якщо хвилі зустрінуться «в протифазі» (гребінь з западиною)? Вони погасять один одного в точці дотику плівки. дзеркалом!

Куточок для фокусів: Як це зроблено?

Як же змусити світло інтерферувати із собою на тонкій плівці? Рішення виявилося напрочуд витонченим. Вчені взяли дві звичайні скляні призми з прямим кутом і поєднали їх гіпотенузами. А на одну з гіпотенуз перед з’єднанням нанесли ту саму тонку плівку, що поглинає (в експерименті використовували хром, але підійдуть і інші матеріали). Вийшов такий собі «куточок».

Тепер направимо на цей куточок промінь світла. Важливо, щоб світло було просторово когерентним. Звучить складно, але насправді ця властивість є у світла від лазера або навіть дуже далеких джерел, наприклад, зірок. Їхні промені приходять до нас майже ідеально паралельними хвилями з упорядкованим «фронтом».

Коли такий промінь потрапляє на вхідну грань нашого пристрою, він частково відбивається від гіпотенуз призм (за рахунок повного внутрішнього відбиття, як в оптоволокні) і прямує на тонку плівку з двох сторін одночасно! Причому ці дві частини променя є абсолютно когерентними, адже вони народилися з одного джерела. Ідеальні умови для інтерференції створено!

Поляризація вирішує: Чорне чи біле?

Але чому пристрій поводиться по-різному для різних частин світу? Де тут обіцяні «чорна» та «біла» дірки? Секрет у поляризації світла.

Світло — це поперечна хвиля, її електричне поле коливається перпендикулярно до напряму поширення. Лінійно поляризоване світло це світло, де ці коливання відбуваються строго в одній площині.

Так от наш пристрій реагує на орієнтацію цієї площини коливань:

1. S-поляризація («чорна діра»): Якщо світло поляризоване перпендикулярно площині падіння на плівку (грубо кажучи, його електричне поле коливається паралельно самій плівці), то при відображенні від «дзеркал»-гіпотенуз з ним не відбувається нічого особливого в плані фази. Вуаля!Плівка поглинає практично весь світ.
2. P-поляризація («біла діра»): А от якщо світло поляризоване в площині падіння (електричне поле коливається перпендикулярно плівці), при відображенні від дзеркал під кутом відбувається цікавий ефект, пов’язаний з так званою геометричною фазою (або фазою Беррі-Панчаратнама). Не вдаючись у нетрі квантової механіки та оптики, скажімо простіше: одна частина променя отримує фазове зрушення в один бік, інша — в протилежний. У результаті, приходячи на плівку, вони опиняються у протифазі. Інтерференція є деструктивною! Електричне поле плівці гаситься, поглинання майже немає. Все p-поляризоване світло відбивається від пристрою. Для нього наш куточок – це оптична біла дірка.

Виходить, пристрій сам «сортує» світло за поляризацією: один тип ловить, інший відштовхує. І все це, теоретично, працює для світла будь-якої довжини хвилі, тобто є широкосмуговим!

Для чого це потрібно? Від зоряного світла до стелс-технологій

Звучить як витончена фізична іграшка? Не зовсім. Такий пристрій має масу потенційних застосувань:

• Ідеальні поляризатори: Воно поділяє світло по поляризації ефективніше за багато існуючих аналогів.
• Складачі енергії: Можна налаштувати систему поглинання світла певної поляризації для фотоелементів.
• Стелс-технології: Подайте покриття, яке ідеально поглинає радіохвилі однієї поляризації (наприклад, від радара).
• Високочутливі детектори: Ви можете детектувати дуже слабкі сигнали або зміни в когерентності світла.
• Перерозподіл світла: Управління тим, куди піде світло, залежно від його властивостей.

Звичайно, поки що це експериментальні зразки. Насправді досягти 100% поглинання чи відображення заважають різні чинники: неідеальність матеріалів, дифракція на краях, точність виготовлення. У проведених експериментах поглинання сягало 91%, а відображення — 85%, що вже дуже непогано!

Головне – сам принцип. Виявляється, керуючи інтерференцією когерентних хвиль на тонкому поглиначі, можна змусити світло поводитися контринтуїтивно: або повністю «провалюватися» в матеріал, або відскакувати від нього, як від ідеального дзеркала. І все це визначається лише його поляризацією.

Ця ідея, до речі, застосовна не лише до світла. Схожі ефекти когерентного поглинання/віддзеркалення демонструвалися і звукових хвиль. Так що вміння керувати хвилями через інтерференцію відкриває двері для багатьох цікавих технологій майбутнього. Хто знає, може, скоро ми навчимося створювати матеріали, які «вибиратимуть», який звук чи якусь радіохвилю пропустити, а яку — замкнути назавжди? Час покаже.