Физики научились «прорезать щели» во времени

Фото: Ромэн Тироль в лаборатории. Источник: Thomas Angus, Imperial College London

Ромэн Тироль и Стефано Веццоли из Имперского Колледжа в Лондоне и их коллеги научились «прорезать щели» во времени и наблюдать интерференцию света на этих «щелях». Результаты их эксперимента опубликованы в журнале Nature.

Тироль и Веццоли повторили классический опыт, поставленный английским физиком Томасом Юнгом, «поменяв местами» пространство и время. Опыт Юнга выглядит следующим образом. Возьмем точечный источник света, который освещает две щели в ширме. За ширмой разместим экран. На экране возникнут черные и белые полосы. Это явление называется интерференцией.

Интерференция — это когерентное сложение волн, то есть сложение, при котором учитывается не только амплитуда волн, но и фаза. Если складываются волны одинаковой фазы, то свет усиливается, если противоположной — гаснет. Так, сложив две световые волны можно парадоксальным образом получить темноту.

Перед учеными стоял вопрос, как заменить щели в пространстве на «щели» во времени. Можно было бы попробовать использовать конструкцию с затвором фотоаппарата, который пропускал бы свет на доли секунды. Однако ни один, даже самый быстрый, затвор не способен создать экспозицию, по длительности сравнимую с периодом оптических колебаний — механическое устройство слишком медлительно для этого. Поэтому вместо затвора фотоаппарата ученые придумали использовать зеркало, сделанное из оксида индия-олова (смесь оксидов индия и олова; из этого материала сделаны практически все дисплеи мобильных телефонов).

Пленка из оксида индия-олова может, в зависимости от внешних условий, как быть отражающим зеркалом, так и поглощать падающее на него излучение. Установка для наблюдения «временно́й интерференции» оказалась очень простой: пробный пучок лазерного излучения падает на пластинку, покрытую оксидом индия-олова. Если на пластинку посветить двумя импульсами дополнительного лазера, то она на время прохождения импульсов становится отражающей, за счет чего создается эффект двух пропускающих пучок пробного лазера «щелей», следующих друг за другом во времени. Дополнительный лазер как бы «открывает затвор» в этой установке.

Прошедший через «временны́е щели» пучок пробного лазера попадает на прибор для изучения спектра излучения. В нем вместо исходного монохроматического спектра наблюдается частотный спектр, соответствующий интерференционной картине темных и светлых полос, как в классическом опыте Юнга. Если в опыте Юнга полосы наблюдаются в пространстве, то в опыте Тироля, Веццоли и соавторов полосы наблюдаются на графике частотного спектра.

Значимость данной работы заключается в том, что, помимо экспериментальной проверки фундаментальных законов оптики и демонстрации «пары» к классическому эксперименту, наблюдение временно́й интерференции, по мнению авторов, может привести к прорыву в области создания «оптической реализации зависящих от времени метаматериалов». (Метаматериалы — это искусственные композитные материалы, чьи свойства определяются формой и расположением микроскопических компонентов; они могут обладать удивительными качествами, не встречающимися в природе, например, отрицательным показателем преломления). Вне оптики, по мнению авторов, двухщелевая интерференция может быть распространена на другие волновые процессы — волны материи, оптомеханику и акустику, при этом среди приложений открытого ими явления могут быть нейроморфные вычисления.