Ингрид Фаделли , Phys.org. под редакцией Гэби Кларк , рецензент Роберт Эган
Надежное управление скоростью, с которой свет проходит через объекты, может иметь ценные последствия для разработки различных передовых технологий, включая высокоскоростные системы связи и квантовые устройства обработки информации. Традиционные методы управления скоростью света, такие как методы, использующие так называемые эффекты электромагнитно-индуцированной прозрачности (ЭИП), работают за счет использования эффектов квантовой интерференции в среде, которые могут сделать ее прозрачной для световых лучей и замедлить скорость света через нее. Несмотря на свои преимущества, эти методы позволяют осуществлять только взаимное управление групповой скоростью (т. е. скоростью, с которой огибающая волнового пакета проходит через среду), что означает, что световой луч будет вести себя одинаково независимо от направления, в котором он движется при прохождении через устройство. Однако невзаимное управление скоростью света может быть столь же ценным, особенно для разработки усовершенствованных устройств, которые могут выиграть от возможности сигналам проходить в желаемых направлениях с желаемой скоростью. Исследователи из Университета Манитобы в Канаде и Университета Ланьчжоу в Китае недавно продемонстрировали невзаимное управление скоростью света с помощью устройства на основе резонаторной магноники — системы, которая связывает микроволновые фотоны (т. е. кванты микроволнового света) с магнонами (т. е. квантами колебаний электронных спинов в материалах). Примененные ими методы на основе магноники, описанные в статье, опубликованной в Physical Review Letters , могут способствовать развитию микроволновых сигнальных коммуникаций, нейроморфных вычислений и квантовых схем.
«В 2019 году моя группа продемонстрировала новый метод создания диссипативной связи в гибридных системах магноники с резонаторами», — рассказал Phys.org Кан-Мин Ху, руководитель группы динамической спинтроники в Университете Манитобы. «Наша технология, представленная в статье, опубликованной в Physical Review Letters , позволяет осуществлять невзаимную передачу сигнала с существенным коэффициентом изоляции и гибкой управляемостью». В рамках своей более ранней работы Ху и его коллеги специально пытались манипулировать амплитудой света (т. е. максимальной силой электрического или магнитного поля световой волны), распространяющегося только в одном направлении. Однако свет также обладает другой фундаментальной характеристикой, известной как его фаза, которая по сути является тем, насколько «далеко» находится световая волна относительно определенного опорного местоположения. «Фазовая манипуляция также имеет широкие последствия, поскольку она определяет скорость импульсов, которые переносят информацию через различные системы», — сказал Ху. «Основной целью этого нового исследования было рассмотреть следующий вопрос: позволит ли нам природа невзаимно манипулировать фазой света, сохраняя при этом двунаправленно сопоставимую амплитуду передачи».
«Существует фундаментальный принцип, известный как соотношение Крамерса-Кронига, который, по-видимому, запрещает это, но, как ни удивительно, наш эксперимент показывает, что природа здесь необычайно щедра к нам». Ключевой целью попыток замедления скорости света является существенное изменение скорости световых импульсов без ущерба для эффективности их передачи. Обычно это достигается с помощью интерференционных эффектов в гибридных резонансных системах, известных как классический аналог эффектов ЭИП в квантовых режимах.
«В нашей работе мы конструируем такую гибридную систему, используя фотонную моду диэлектрического резонатора и магнонную моду магнитной сферы железо-иттриевого граната (ЖИГ)», — пояснил Цзигуан Яо, старший аспирант и первый автор статьи.
«Помимо обычных резонаторов, магнитные материалы обладают внутренней хиральностью — их спин прецессирует в фиксированном направлении, определяемом приложенным магнитным полем . Эту хиральность можно использовать для создания невзаимности, что обеспечивается дополнительной диссипативной связью, вводимой через общую микрополоску. В результате мы получили невзаимную и контролируемую систему распространения света». Чтобы продемонстрировать потенциал предлагаемого ими подхода, исследователи послали микроволновый импульс в разработанную ими систему магноники связанных полостей с двух направлений. Когда они сравнили скорость этого импульса с контрольным путем, они обнаружили, что их метод позволил добиться поразительных эффектов задержки и опережения, — невзаимно.
«Световые и микроволновые импульсы служат носителями информации в различных областях: от передачи сигналов до нейроморфных вычислений и квантовой обработки сигналов», — сказал Джерри Лу, младший аспирант и соавтор статьи.
«Предыдущие попытки невзаимного управления электромагнитными волнами были в основном сосредоточены на направленной амплитудной манипуляции, что позволяло передавать сигналы только в одном направлении. Эта концепция лежит в основе основных компонентов систем связи, таких как изоляторы и циркуляторы. Наше исследование впервые показало, что свет может распространяться в обоих направлениях, но с разной скоростью». Новый многообещающий метод команды для невзаимного управления скоростью света вскоре может позволить разработку различных передовых и ранее невообразимых технологий. Тем временем Ху и его исследовательская группа работают над дальнейшим совершенствованием своей методологии, надеясь улучшить задержку и продвинутые эффекты, которые она производит.
«Хотя эффект, продемонстрированный в нашей работе, впечатляет, достигнутое на данный момент время задержки/опережения остается относительно скромным», — добавил Ху. «Усиление этого эффекта необходимо для обеспечения практического применения. В качестве первого шага мы планируем внедрить несколько новых технологий в наше устройство для усиления эффекта. В долгосрочной перспективе мы намерены изучить более широкий спектр сценариев применения».
Дополнительная информация: Цзигуан Яо и др., Невзаимное управление скоростью света с использованием резонаторной магноники, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.196904.
Информация о журнале: Physical Review Letters
© 2025 Наука X Сеть