Всеки от нас е чувал за черните дупки – космически

Всеки от нас е чувал за черните дупки – галактически чудовища, чиято гравитация е толкоз мощна, че даже светлината не може да избяга от тях. Мистериозни, привлекателни и леко плашещи предмети. Но чували ли сте за хипотетични „ бели дупки “? Това са тяхната цялостна диаметралност: обекти, в които съгласно теорията не може да се влезе извън, те единствено излъчват материя и сила. Това са един тип галактически „ избивачи “.

Ами в случай че нещо сходно може да бъде основано не в галактически мащаб, а тук на Земята? И не става дума за солидни тела, а… за светлина? Представете си устройство, което се трансформира в безспорен капан за една част от светлинния поток, поглъщайки го без диря, а за друга — в непроницаема стена, отразяваща и последния фотон. Звучи завладяващо, нали? Това е тъкмо концепцията, която учените демонстрираха неотдавна.

Игра на светлина: Когато вълните вземат решение всичко

В основата на това „ оптично знамение “ лежи феномен, прочут ни от учебно заведение — разстройствата. Помните ли по какъв начин две талази 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, тъй като светлината също е вълна (електромагнитна, с цел да бъдем точни).

Сега си представете най-тънкия филм, кадърен да всмуква светлина. Сам по себе си той може да гълтам единствено част от падащата светлина, а останалата част ще премине или ще бъде отразена. Но какво ще стане, в случай че две светлинни талази по едно и също време бъдат ориентирани към този филм, тъй че да са кохерентни (т.е. етапите им да бъдат координирани, като бойци в рота)?

Тук стартира заниманието. Ако изискванията са определени по този начин, че вълните да се срещат на кино лентата „ във фаза “ (гребен с гребен), те ще се укрепват взаимно тъкмо в точката на взаимоотношение с материала на кино лентата. Това се назовава градивна интервенция. В резултат на това филмът ще погълне доста повече светлина, а в идеалния случай цялата! Светлината ще се окаже в капан.

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

Магически ъгъл: Как се прави?

Как да накараш светлината да се намесва сама върху тъничък филм? Решението се оказа изненадващо елегантно. Учените са взели две елементарни стъклени призми с прав ъгъл и са ги свързали посредством техните хипотенузи. И върху една от хипотенузите преди връзката е нанесен същият тъничък абсорбиращ филм (в опита е употребен хром, само че други материали също са подходящи). Оказало се един тип „ ъгъл “.

Сега дано насочим лъч светлина върху този ъгъл. Важно е светлината да е пространствено кохерентна. Звучи комплицирано, само че в действителност това свойство участва в светлината от лазер или даже доста далечни източници, като звездите. Техните лъчи идват при нас в съвсем напълно успоредни талази с спретнат „ фронт “.

Когато подобен лъч попадне на входната повърхнина на нашето устройство, той се отразява отчасти от хипотенузите на призмите (поради цялостно вътрешно отражение, както при оптичните влакна) и се насочва по едно и също време към тънкия филм и от двете страни! Освен това тези две елементи на лъча са безусловно кохерентни, тъй като са родени от еднакъв източник. Създадени са идеални условия за разстройства!

Поляризацията взема решение: черно или бяло?

Но за какво устройството се държи друго за обособените елементи 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 разпространяване. Линейно поляризираната светлина е светлина, при която тези вибрации се случват строго в една низина.

Така че нашето устройство реагира на ориентацията на тази низина на вибрации:

S-поляризация („ черна дупка “): Ако светлината е поляризирана перпендикулярно на равнината на рухване върху кино лентата (грубо казано, нейното електрическо поле осцилира паралелно на самия филм), тогава когато се отразява от хипотенузните „ огледалата “, нищо изключително не се случва с нея във връзка с етапа. Ето! Филмът гълтам съвсем целия свят. P-поляризация („ бяла дупка “): Но в случай че светлината е поляризирана в равнината на рухване (електрическото поле осцилира перпендикулярно на филма), когато се отразява от огледалата под ъгъл, поражда забавен резултат, обвързван с по този начин наречената геометрична фаза (или фаза на Бери-Панчаратнам). Без да навлизаме в дълбините на квантовата механика и оптика, дано го кажем просто: една част от лъча получава фазово изместване в една посока, а другата в противоположна посока. В резултат на това, когато доближат кино лентата, те приключват в противофаза. Намесата е разрушителна! Електрическото поле на кино лентата е затихнало и съвсем няма всмукване. Цялата p-поляризирана светлина се отразява от устройството. За него нашият ъгъл е оптически бяла дупка.

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

За какво е това? От звездна светлина до стелт технология

Звучи ви като комплицирана физическа играчка? Не напълно. Такова устройство има доста евентуални приложения:

Идеални поляризатори: Той разделя светлината посредством поляризация по-ефективно от доста съществуващи аналози. Комбайни за сила: Възможно е да се конфигурира система за попиване на светлината със характерна поляризация за фотоволтаични кафези. Стелт технологии: Осигурява покритие, което съвършено всмуква радиовълните с една поляризация (напр. от радар). Високочувствителни детектори: Може да се открият доста слаби сигнали или промени в кохерентността на светлината. Преразпределение на светлината: Контролиране накъде отива светлината въз основа на нейните свойства.

Разбира се, към този момент това са пробни мостри. В реалност постигането на 100% всмукване или отражение е възпрепятствано от разнообразни фактори: неидеалност на материалите, дифракция по краищата и акуратност на произвеждане. При извършените опити поглъщането доближава 91%, а отразяването —- 85%, което към този момент е доста добре!

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

Тази концепция, апропо, е използвана освен за светлината. Подобни резултати на кохерентно поглъщане/отражение са демонстрирани и за звукови талази. Така че способността да се управляват вълните посредством разстройства отваря вратата към доста забавни технологии на бъдещето. Кой знае, може би скоро ще се научим да сътворяваме материали, които ще „ избират “ кой тон или радиовълна да пропущат и кои да блокират вечно? Времето ще покаже.