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

16 апр 2025, 12:03

Каждый из нас слышал о черных дырах — космических монстрах, чья гравитация настолько сильна, что из них не может вырваться даже свет. Загадочные, манящие и немного пугающие объекты. Но слышали ли вы о гипотетических «белых дырах»? Это их полная противоположность: объекты, в которые, согласно теории, невозможно попасть извне, они лишь извергают материю и энергию. Эдакие космические «вышибалы».

А что, если нечто похожее можно создать не в масштабах космоса, а здесь, на Земле? И не для массивных тел, а… для света? Представьте себе устройство, которое для одной части светового потока становится абсолютной ловушкой, поглощая его без остатка, а для другой — неприступной стеной, отражая всё до последнего фотона. Звучит интригующе, не правда ли? Именно такую концепцию и продемонстрировали недавно ученые.

Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Игра света: Когда волны решают всё

В основе этого «оптического чуда» лежит явление, знакомое нам еще со школы — интерференция. Помните, как две волны на воде, встречаясь, могут либо усилить друг друга (если гребни совпадают), либо погасить (если гребень встречается с впадиной)? Со светом происходит то же самое, ведь свет — это тоже волна (электромагнитная, если быть точным).

Теперь представьте тончайшую пленку, способную поглощать свет. Сама по себе она может поглотить лишь часть падающего света, остальное пройдет насквозь или отразится. Но что, если на эту пленку направить две световые волны одновременно, да так, чтобы они были когерентными (то есть, их фазы были бы согласованы, как у солдат в строю)?

Вот тут-то и начинается самое интересное. Если подобрать условия так, чтобы волны встретились на пленке «в фазе» (гребень с гребнем), они усилят друг друга именно в месте взаимодействия с материалом пленки. Это называется конструктивная интерференция. В результате пленка поглотит гораздо больше света, в идеале — вообще весь! Свет попал в ловушку.

А если волны встретятся «в противофазе» (гребень с впадиной)? Они погасят друг друга в точке касания пленки. Это деструктивная интерференция. Электрическое поле волны на пленке станет практически нулевым, и взаимодействовать с ней будет просто нечему. Свет пройдет мимо, как будто пленки и нет вовсе, или, в нашем случае, полностью отразится от системы. Пленка стала зеркалом!

Механизм полного поглощения и полного отражения света. Пространственно когерентный и нормально падающий (а) s-поляризованный свет интерферирует конструктивно на тонкопленочном поглотителе, расположенном в биссекторной плоскости, разделяющей два зеркала, установленных под прямым углом друг к другу, что приводит к когерентному поглощению, тогда как (b) p-поляризованный свет интерферирует деструктивно, что приводит к когерентному пропусканию, в принципе, с неограниченной полосой пропускания. Деструктивная интерференция падающего p-поляризованного света происходит из-за геометрической разности фаз в π, которая возникает из-за поворота состояния поляризации при отражении, как показано на сфере Пуанкаре. Конструктивная интерференция падающего s-поляризованного света обусловлена отсутствием какого-либо изменения поляризации и связанной с ним геометрической фазы. Цитирование: Eric Plum, Anton N. Vetlugin, Baurzhan Salimzhanov, Nikolay I. Zheludev, Nina Vaidya, «Optical analog of black and white gravitational holes,» Adv. Photon. 7(2) 025001 (27 February 2025) https://doi.org/10.1117/1.AP.7.2.025001
Автор: Plum et al. Источник: www.spiedigitallibrary.org

Уголок для фокусов: Как это сделано?

Как же заставить свет интерферировать с самим собой на тонкой пленке? Решение оказалось на удивление изящным. Ученые взяли две обычные стеклянные призмы с прямым углом и соединили их гипотенузами. А на одну из гипотенуз перед соединением нанесли ту самую тонкую поглощающую пленку (в эксперименте использовали хром, но подойдут и другие материалы). Получился эдакий «уголок».

Теперь направим на этот уголок луч света. Важно, чтобы свет был пространственно когерентным. Звучит сложно, но на самом деле это свойство есть у света от лазера или даже от очень далеких источников, например, звезд. Их лучи приходят к нам почти идеально параллельными волнами с упорядоченным «фронтом».

Когда такой луч попадает на входную грань нашего устройства, он частично отражается от гипотенуз призм (за счет полного внутреннего отражения, как в оптоволокне) и направляется на тонкую пленку с двух сторон одновременно! Причем эти две части луча абсолютно когерентны, ведь они родились из одного источника. Идеальные условия для интерференции созданы!

Наблюдение аналогов оптической черной и белой дыры. Измерены коэффициент отражения и коэффициент поглощения тонкой пленки хрома на границе раздела между двумя идентичными стеклянными призмами для (а) s- и (b) p-поляризованного света в зависимости от угла падения. Поглощение s-поляризованного света (черная дыра) и отражение p-поляризованного света (белая дыра) происходят вблизи нормального падения. Цитирование: Eric Plum, Anton N. Vetlugin, Baurzhan Salimzhanov, Nikolay I. Zheludev, Nina Vaidya, «Optical analog of black and white gravitational holes,» Adv. Photon. 7(2) 025001 (27 February 2025) https://doi.org/10.1117/1.AP.7.2.025001
Автор: Plum et al. Источник: www.spiedigitallibrary.org

Поляризация решает: Черное или белое?

Но почему устройство ведет себя по-разному для разных «частей» света? Где тут обещанные «черная» и «белая» дыры? Секрет кроется в поляризации света.

Свет — это поперечная волна, ее электрическое поле колеблется перпендикулярно направлению распространения. Линейно поляризованный свет — это свет, где эти колебания происходят строго в одной плоскости.

Так вот, наше устройство реагирует на ориентацию этой плоскости колебаний:

S-поляризация («черная дыра»): Если свет поляризован перпендикулярно плоскости падения на пленку (грубо говоря, его электрическое поле колеблется параллельно самой пленке), то при отражении от «зеркал"-гипотенуз с ним не происходит ничего особенного в плане фазы. Две части луча приходят на пленку синфазно, интерферируют конструктивно, и… вуаля! Пленка поглощает практически весь свет. Для s-поляризованного света наш уголок — это оптическая черная дыра.
P-поляризация («белая дыра»): А вот если свет поляризован в плоскости падения (электрическое поле колеблется перпендикулярно пленке), при отражении от зеркал под углом происходит интересный эффект, связанный с так называемой геометрической фазой (или фазой Берри-Панчаратнама). Не вдаваясь в дебри квантовой механики и оптики, скажем проще: одна часть луча получает фазовый сдвиг в одну сторону, другая — в противоположную. В итоге, приходя на пленку, они оказываются в противофазе. Интерференция деструктивна! Электрическое поле на пленке гасится, поглощения почти нет. Весь p-поляризованный свет отражается от устройства. Для него наш уголок — это оптическая белая дыра.

Получается, устройство само «сортирует» свет по поляризации: один тип ловит, другой — отталкивает. И всё это, в теории, работает для света любой длины волны, то есть является широкополосным!

Широкополосное поглощение и отражение света оптическими (а) черными и (b) белыми дырами. Измеренные коэффициент отражения и коэффициент поглощения в зависимости от длины волны при нормальном падении. Моделирование на вставках иллюстрирует отсутствие отражения от устройства для случая черной дыры (а) и формирование стоячей волны из-за интерференции падающего и отраженного света для случая белой дыры (b). Цитирование: Eric Plum, Anton N. Vetlugin, Baurzhan Salimzhanov, Nikolay I. Zheludev, Nina Vaidya, «Optical analog of black and white gravitational holes,» Adv. Photon. 7(2) 025001 (27 February 2025) https://doi.org/10.1117/1.AP.7.2.025001
Автор: Plum et al. Источник: www.spiedigitallibrary.org

Зачем это нужно? От звездного света до стелс-технологий

Звучит как изящная физическая игрушка? Не совсем. У такого устройства масса потенциальных применений:

Идеальные поляризаторы: Оно разделяет свет по поляризации эффективнее многих существующих аналогов.
Сборщики энергии: Можно настроить систему на поглощение света определенной поляризации для фотоэлементов.
Стелс-технологии: Представьте покрытие, которое идеально поглощает радиоволны одной поляризации (например, от радара).
Высокочувствительные детекторы: Можно детектировать очень слабые сигналы или изменения в когерентности света.
Перераспределение света: Управление тем, куда пойдет свет, в зависимости от его свойств.

Конечно, пока это экспериментальные образцы. В реальности добиться 100% поглощения или отражения мешают разные факторы: неидеальность материалов, дифракция на краях, точность изготовления. В проведенных экспериментах поглощение достигало 91%, а отражение — 85%, что уже очень неплохо!

Главное — сам принцип. Оказывается, управляя интерференцией когерентных волн на тонком поглотителе, можно заставить свет вести себя совершенно контринтуитивно: либо полностью «проваливаться» в материал, либо отскакивать от него, как от идеального зеркала. И все это определяется лишь его поляризацией.

Эта идея, кстати, применима не только к свету. Похожие эффекты когерентного поглощения/отражения демонстрировались и для звуковых волн. Так что умение управлять волнами через интерференцию открывает двери для множества интересных технологий будущего. Кто знает, может, скоро мы научимся создавать материалы, которые будут «выбирать», какой звук или какую радиоволну пропустить, а какую — запереть навсегда? Время покажет.

Опубликовано: Мировое обозрение Источник