Американские физики "замедлили" свет c использованием кремниевого кристалла

Физики из Калифорнийского университета в Санта-Крусе и Университета Бригэма Янга (оба — США) реализовали сравнительно простую схему «замедления» света на кремниевом кристалле.

Работа схемы основана на эффекте электромагнитно индуцированной прозрачности (ЭИП), который позволяет получить среду с чрезвычайно узким провалом в спектре поглощения. Это явление можно обнаружить при воздействии на трёхуровневую квантовую систему (так называемую Λ-схему) двух резонансных полей с различающимися частотами.

Суть ЭИП заключается в следующем: действие связывающего поля в одном плече Λ-схемы (переход |2>→|3>) делает систему прозрачной для зондирующего поля (переход |1>→|3>) при том условии, что разность частот двух полей совпадает с частотой перехода между двумя нижними уровнями. В области провала в спектре поглощения среда, согласно известным соотношениям Крамерса — Кронига, демонстрирует крутой ход показателя преломления, что может приводить, в частности, к снижению групповой скорости света. На этом и основаны опыты по «замедлению» света.

Подробное описание эффекта ЭИП и история его использования в экспериментах приведены в статье Е. Б. Александрова и В. С. Запасского «В погоне за «медленным светом»», опубликованной в журнале «Успехи физических наук".

Рис. 1. Λ-схема и зависимость величины задержки прихода зондирующего импульса (объяснение см. ниже) от мощности связывающего лазера (здесь и далее иллюстрации из журнала Nature Photonics).

В апреле этого года уже сообщалось в прессе о наблюдении ЭИП в эксперименте с одиночным атомом рубидия. В новой работе также использовался рубидий, который находился в специальных резервуарах (медных цилиндрах высотой 2 см и диаметром ~0,5 см), смонтированных на кремниевой пластине. Здесь же были размещены волноводы со сплошной и полой секциями, причём концы последней были заведены во внутреннее пространство цилиндров, вследствие чего полость заполнялась парами рубидия. Излучение двух лазеров подавалось с помощью одномодового оптоволокна.

Рис. 2. Отдельный кремниевый элемент с медными резервуарами и волноводами. Синим выделен сплошной волновод, а розовым — полый; стрелка отмечает направление подачи лазерного излучения. Слева снизу дан разрез всей структуры, а справа показан полый волновод.

Связывающий лазер был настроен на переход с подуровня 5S_1/2 (квантовое число F = 3) на уровень 5P_3/2 (F = 3), а зондирующий лазер работал на частоте, соответствующей переходу 5S_1/2 (F = 2) → 5P_3/2 (F = 3). При построении Λ-схемы физики, таким образом, воспользовались сверхтонким расщеплением основного состояния.

В экспериментах зондирующей лазер модулировался с целью получения 20-наносекундных импульсов, следующих с частотой в 5 МГц. Кроме того, авторы установили светоделительный элемент, который направлял «часть» зондирующего пучка на экспериментальную схему, а оставшуюся «часть» — напрямую на детектор. Измеряемая задержка прихода импульса, распространявшегося в волноводе, и есть доказательство того, что свет «замедляется».

Рис. 3. Четырёхдюймовая кремниевая пластина с 32 отдельными элементами.

Наибольшая задержка, полученная при наименьшей мощности связывающего лазера, составила 16 нс — 80% длительности самого импульса. Этот результат соответствует снижению групповой скорости в 1 200 раз.

Нетрудно показать, что снижение групповой скорости отвечает пространственному сжатию светового импульса в среде; следовательно, результат можно воспринимать и как сокращение длины зондирующего импульса с 6 м до 5 мм.

По мнению авторов, подобные кремниевые «микросхемы», изготовленные по вполне привычным методикам, в будущем могут найти практическое применение.

Мы реализовали «замедление» света на платформе, которая подходит для массового производства и обеспечивает работу при температуре, несколько превышающей комнатную, — говорит г-н Шмидт. — Возможно, элементы такого типа будут использоваться при создании чисто оптических переключателей, детекторов одиночных фотонов или устройств квантовой памяти».

Результаты исследований опубликованы в статье:

Bin Wu, John F. Hulbert2, Evan J. Lunt2, Katie Hurd2, Aaron R. Hawkins2 & Holger Schmidt Slow light on a chip via atomic quantum state control. – Nature Photonics. – 2010. – Published online: 5 September 2010 | doi:10.1038/nphoton.2010.211.

По материалам: