Ученые воссоздали аналог чёрной и белой дыры: Как поляризация превращает обычную призму в ловушку для света (или зеркало)

Группа физиков из Саутгемптонского и Тель-Авивского университетов представила устройство, которое для света ведет себя одновременно как «черная» и «белая» дыра. Разработка, описанная в журнале Advanced Photonics, способна полностью поглощать фотоны одной поляризации и абсолютно отражать фотоны другой. В отличие от космических объектов, здесь нет чудовищной гравитации — эффект достигается за счет интерференции волн на тонкой пленке.

Принцип работы: интерференция на границе раздела

В основе лежит явление, знакомое из школьного курса физики: две волны, встречаясь, могут усиливать или гасить друг друга. Ученые поместили тонкую хромовую пленку между двумя стеклянными призмами, сложенными под прямым углом. Лазерный луч, проходя через систему, расщепляется, и две его когерентные части одновременно попадают на пленку с разных сторон.

Если волны приходят «в фазе» (гребень к гребню), они конструктивно интерферируют, и пленка поглощает всю энергию света — это аналог черной дыры. Если же волны сдвинуты по фазе на половину длины волны, они гасят друг друга, и свет полностью отражается — это аналог белой дыры.

Поляризация как ключ управления

Критическим параметром оказалась поляризация света. Для s-поляризованного излучения (колебания электрического поля параллельны пленке) устройство работает как идеальный поглотитель: зафиксировано 91% поглощения. Для p-поляризованного света (колебания перпендикулярны пленке) система превращается в идеальное зеркало с 85% отражения. Этот эффект связан с геометрической фазой Берри-Панчаратнама, возникающей при отражении под углом.

Практический потенциал: от сенсоров до маскировки

В эксперименте использовался хром, но принцип работает для любых материалов и длин волн. Разработка обещает прорыв в нескольких направлениях.

• Стелс-технологии: покрытия, поглощающие радарное излучение одной поляризации, но прозрачные для другой.
• Фотоэнергетика: управляемые поглотители для солнечных элементов, работающие в широком спектральном диапазоне.
• Квантовая оптика: идеальные поляризационные фильтры и детекторы для сверхчувствительных измерений.
• Акустика: аналогичные эффекты уже продемонстрированы для звуковых волн, что открывает путь к созданию «акустических черных дыр».

Похожие исследования когерентного поглощения велись и ранее, но впервые удалось совместить два противоположных режима в одной компактной системе. Авторы подчеркивают, что устройство является широкополосным — оно работает для света любой длины волны, что выгодно отличает его от узкополосных резонансных аналогов.

Создание «оптического сортировщика», который сам решает, поглотить фотон или отразить его в зависимости от поляризации, меняет представление о взаимодействии света с веществом. Вместо пассивного поглощения или отражения, заданного материалом, мы получаем активное управление волновым фронтом. Это не просто лабораторный курьез, а демонстрация нового подхода к созданию метаматериалов, где свойства определяются не химическим составом, а геометрией и интерференцией. Если технологию удастся масштабировать, она может лечь в основу устройств, способных «выбирать», какую информацию пропустить, а какую — запечатать навсегда.