Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук им. Джона А. Полсона (SEAS) сделали именно это, разработав первый метаматериал на кристалле с нулевым показателем преломления, что означает, что фаза света может перемещаться бесконечно быстро.Этот новый метаматериал был разработан в лаборатории Эрика Мазура, балканского профессора физики и прикладной физики и регионального декана по прикладной физике в SEAS, и описан в журнале Nature Photonics.
«Свет обычно не любит сжимать или манипулировать, но этот метаматериал позволяет вам управлять светом от одного чипа к другому, сжимать, изгибать, скручивать и уменьшать диаметр луча от макромасштаба до наномасштаба», — сказал Мазур. «Это замечательный новый способ управления светом».Хотя эта бесконечно высокая скорость звучит так, как будто нарушает правило относительности, это не так. Ничто во Вселенной не движется быстрее света, несущего информацию — Эйнштейн по-прежнему прав.
Но у света есть другая скорость, измеряемая по скорости движения гребней длины волны, известная как фазовая скорость. Эта скорость света увеличивается или уменьшается в зависимости от материала, через который он движется.Например, когда свет проходит через воду, его фазовая скорость уменьшается, так как длины волн сужаются.
Как только он покидает воду, его фазовая скорость снова увеличивается с увеличением длины волны. Насколько гребни световой волны замедляются в материале, выражается соотношением, называемым показателем преломления — чем выше показатель, тем сильнее материал мешает распространению гребней световой волны. Например, вода имеет показатель преломления около 1,3.
Когда показатель преломления снижается до нуля, начинают происходить действительно странные и интересные вещи.В материале с нулевым показателем преломления нет опережения фазы, что означает, что свет больше не ведет себя как движущаяся волна, проходящая через пространство в виде серии гребней и впадин.
Вместо этого материал с нулевым показателем преломления создает постоянную фазу — все гребни или все впадины — растягивающуюся в бесконечно больших длинах волн. Вершины и впадины колеблются только как переменная во времени, а не в пространстве.Эта однородная фаза позволяет свету растягиваться или сжиматься, скручиваться или поворачиваться без потери энергии. Материал с нулевым показателем преломления, который помещается в чип, может найти интересное применение, особенно в мире квантовых вычислений.
«Интегральным фотонным схемам мешает слабое и неэффективное ограничение оптической энергии в стандартных кремниевых волноводах», — сказал Ян Ли, научный сотрудник Mazur Group и первый автор статьи. «Этот метаматериал с нулевым показателем преломления предлагает решение для ограничения электромагнитной энергии в различных конфигурациях волноводов, поскольку его высокая внутренняя фазовая скорость обеспечивает полную передачу, независимо от конфигурации материала».Метаматериал состоит из массивов кремниевых столбов, встроенных в полимерную матрицу и покрытых золотой пленкой. Он может подключаться к кремниевым волноводам для взаимодействия со стандартными интегрированными фотонными компонентами и микросхемами.
«В квантовой оптике отсутствие опережения фазы позволило бы квантовым излучателям в резонаторе или волноводе с нулевым показателем преломления испускать фотоны, которые всегда находятся в фазе друг с другом», — сказал Филип Муньос, аспирант лаборатории Мазура и соавтор. на бумаге. «Это также могло бы улучшить сцепление между квантовыми битами, поскольку приходящие световые волны эффективно распространяются и бесконечно длинные, что позволяет запутывать даже далекие частицы».«Этот метаматериал на кристалле открывает двери для изучения физики нулевого индекса и его приложений в интегрированной оптике», — сказал Мазур.