Новая система, разработанная посредством компьютерного моделирования, а затем продемонстрированная экспериментально, противопоставляет световые волны световым волнам: она создает две волны с одинаковой длиной волны, но с точно противоположными фазами – где одна волна имеет пик, а другая – впадину – – чтобы волны гасили друг друга. Между тем свет других длин волн (или цветов) может свободно проходить.
Исследователи говорят, что это явление может применяться к любому типу волн: звуковым волнам, радиоволнам, электронам (поведение которых можно описать волновыми уравнениями) и даже волнам в воде.
Об открытии сообщили на этой неделе в журнале Nature профессора физики Марин Солячич и Джон Джоаннопулос, доцент прикладной математики Стивен Джонсон и аспиранты Чиа Вей Сю, Бо Чжэнь, Чонвон Ли и Сон-Лян Чуа.
«Для многих оптических устройств, которые вы хотите построить, – говорит Солячич, – включая лазеры, солнечные элементы и волоконную оптику, – вам нужен способ ограничения света.«Это чаще всего достигается с помощью зеркал различных типов, включая как традиционные зеркала, так и более совершенные диэлектрические зеркала, а также экзотические фотонные кристаллы и устройства, которые полагаются на явление, называемое локализацией Андерсона. Во всех этих случаях прохождение света заблокировано: в терминологии физики нет «разрешенных» состояний для света, чтобы продолжать свой путь, поэтому он вынужден отражаться.
Однако в новой системе это не так. Вместо этого свет определенной длины волны блокируется деструктивными помехами от других волн, которые точно не в фазе. «Это совершенно другой способ ограничения света», – говорит Солячич.
Хотя в конечном итоге могут быть практические применения, на данный момент команда сосредоточена на открытии нового, неожиданного явления. «Новые физические явления часто открывают новые возможности для применения», – говорит Сюй. Возможные применения, по его мнению, могут включать лазеры большой площади и химические или биологические сенсоры.
Исследователи впервые увидели возможность этого явления с помощью численного моделирования; предсказание было проверено экспериментально.
С математической точки зрения, новое явление – когда одна частота света задерживается, а другие соседние частоты нет – является примером "встроенного собственного значения"."Это было описано как теоретическая возможность математиком и пионером вычислений Джоном фон Нейманом в 1929 году. Хотя с тех пор физики интересовались возможностью такого эффекта, никто ранее не видел это явление на практике, за исключением особых случаев, связанных с симметрией.
Эта работа «очень важна, потому что она представляет собой новый вид зеркала, которое, в принципе, имеет идеальную отражательную способность», – говорит А. Дуглас Стоун, профессор физики Йельского университета, не принимавший участия в этом исследовании.
Открытие, по его словам, «удивительно, потому что считалось, что поверхности фотонных кристаллов все еще подчиняются обычным законам преломления и отражения», но в этом случае они не.
Стоун добавляет: «На самом деле это реализация знаменитого« связанного состояния в континууме », предложенного фон Нейманом и [физиком-теоретиком и математиком Юджином] Вигнером на заре квантовой теории, но в практической, реализуемой форме. Потенциальные приложения, упомянутые авторами, в мощных одномодовых лазерах и в химических [и] биологических исследованиях на больших площадях, очень интригуют и захватывают, если они удаются."