Luz lenta - Slow light

Luz lenta é a propagação de um pulso óptico ou outra modulação de uma portadora óptica em uma velocidade de grupo muito baixa . A luz lenta ocorre quando um pulso de propagação é substancialmente retardado pela interação com o meio no qual a propagação ocorre. Este efeito foi previsto por Harris e colaboradores (Review: Physics Today 50, 7, 36 (1997); https://doi.org/10.1063/1.881806 ). A redução da velocidade da luz por um fator de 165 foi observada por A. Kasapi, Maneesh Jain, GY Yin e SE Harris, Phys. Rev. Lett. 74, 2447 (1995), https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.74.2447

Em 1998, a física dinamarquesa Lene Vestergaard Hau liderou uma equipe combinada da Harvard University e do Rowland Institute for Science que percebeu velocidades de luz de grupo muito mais baixas. Eles conseguiram reduzir a velocidade de um feixe de luz para cerca de 17 metros por segundo. Pesquisadores da UC Berkeley diminuíram a velocidade da luz que viaja através de um semicondutor para 9,7 quilômetros por segundo em 2004. Hau e seus colegas mais tarde tiveram sucesso em parar a luz completamente e desenvolveram métodos pelos quais ela pode ser interrompida e depois reiniciada. Isso foi um esforço para desenvolver computadores que usarão apenas uma fração da energia das máquinas de hoje.

Em 2005, a IBM criou um microchip que pode reduzir a velocidade da luz, feito de materiais razoavelmente padronizados, potencialmente preparando o caminho para a adoção comercial.

Fundo

Quando a luz se propaga através de um material, ela viaja mais devagar do que a velocidade do vácuo, c . Esta é uma mudança na velocidade de fase da luz e se manifesta em efeitos físicos como a refração . Essa redução na velocidade é quantificada pela razão entre c e a velocidade da fase. Essa proporção é chamada de índice de refração do material. A luz lenta é uma redução dramática na velocidade da luz em grupo , não na velocidade da fase. Os efeitos da luz lenta não são devidos a índices de refração anormalmente grandes, como será explicado a seguir.

A imagem mais simples da luz fornecida pela física clássica é a de uma onda ou perturbação no campo eletromagnético . No vácuo , as equações de Maxwell prevêem que esses distúrbios viajarão a uma velocidade específica, denotada pelo símbolo c . Essa constante física bem conhecida é comumente chamada de velocidade da luz . O postulado da constância da velocidade da luz em todos os referenciais inerciais está no cerne da relatividade especial e deu origem a uma noção popular de que "a velocidade da luz é sempre a mesma". No entanto, em muitas situações, a luz é mais do que uma perturbação no campo eletromagnético.

A luz viajando dentro de um meio não é mais uma perturbação apenas do campo eletromagnético, mas sim uma perturbação do campo e das posições e velocidades das partículas carregadas ( elétrons ) dentro do material. O movimento dos elétrons é determinado pelo campo (devido à força de Lorentz ), mas o campo é determinado pelas posições e velocidades dos elétrons (devido à lei de Gauss e lei de Ampère ). O comportamento de uma perturbação desse campo combinado de densidade de carga eletromagnética (ou seja, luz) ainda é determinado pelas equações de Maxwell, mas as soluções são complicadas por causa da ligação íntima entre o meio e o campo.

Compreender o comportamento da luz em um material é simplificado, limitando os tipos de distúrbios estudados às funções sinusoidais do tempo. Para esses tipos de distúrbios, as equações de Maxwell se transformam em equações algébricas e são facilmente resolvidas. Esses distúrbios especiais se propagam através de um material a uma velocidade mais lenta do que c, chamada de velocidade de fase . A razão entre ce velocidade de fase é chamada de índice de refração ou índice de refração do material ( n ). O índice de refração não é uma constante para um determinado material, mas depende da temperatura, pressão e da frequência da onda de luz (sinusoidal). Este último leva a um efeito denominado dispersão .

O olho humano percebe a intensidade do distúrbio sinusoidal como o brilho da luz e a frequência como a cor . Se uma luz for ligada ou desligada em um momento específico ou modulada de outra forma, a amplitude do distúrbio sinusoidal também depende do tempo. A amplitude variável no tempo não se propaga na velocidade da fase, mas sim na velocidade do grupo . A velocidade do grupo depende não apenas do índice de refração do material, mas também da maneira como o índice de refração muda com a frequência (ou seja, a derivada do índice de refração em relação à frequência).

Luz lenta refere-se a uma velocidade de luz de grupo muito baixa. Se a relação de dispersão do índice de refração for tal que o índice muda rapidamente em uma pequena faixa de frequências, então a velocidade do grupo pode ser muito baixa, milhares ou milhões de vezes menor que c , mesmo que o índice de refração ainda seja um típico valor (entre 1,5 e 3,5 para vidros e semicondutores).

Maneiras de obter luz lenta

Existem muitos mecanismos que podem gerar luz lenta, todos os quais criam regiões espectrais estreitas com alta dispersão , ou seja, picos na relação de dispersão . Os esquemas são geralmente agrupados em duas categorias: dispersão do material e dispersão do guia de ondas. Mecanismos de dispersão de material, como transparência induzida eletromagneticamente (EIT), oscilação populacional coerente (CPO) e vários esquemas de mistura de quatro ondas (FWM), produzem uma mudança rápida no índice de refração em função da frequência óptica, ou seja, eles modificam o componente temporal de uma onda de propagação. Isso é feito usando um efeito não linear para modificar a resposta dipolo de um meio a um sinal ou campo de "sonda". Mecanismos de dispersão de guia de onda, como cristais fotônicos , guias de ondas ópticas de ressonador acoplado (CROW) e outras estruturas de micro-ressonador modificam o componente espacial (vetor k) de uma onda em propagação. Luz lenta também pode ser alcançada explorando as propriedades de dispersão de guias de ondas planares realizados com metamateriais negativos únicos (SNM) ou metamateriais negativos duplos (DNM).

Uma figura de mérito predominante de esquemas de luz lenta é o Delay-Bandwidth Product (DBP). A maioria dos esquemas de luz lenta pode, na verdade, oferecer um atraso arbitrariamente longo para um determinado comprimento de dispositivo (comprimento / atraso = velocidade do sinal) em detrimento da largura de banda . O produto dos dois é quase constante. Uma figura de mérito relacionada é o atraso fracionário , o tempo que um pulso é atrasado dividido pelo tempo total do pulso. A transparência induzida pelo plasma - um análogo do EIT - fornece outra abordagem baseada na interferência destrutiva entre os diferentes modos de ressonância. Trabalhos recentes demonstraram esse efeito em uma ampla janela de transparência em uma faixa de frequência maior que 0,40 THz.

Uso potencial

A luz lenta pode ser usada para reduzir bastante o ruído , o que permite que todos os tipos de informações sejam transmitidos com mais eficiência. Além disso, os interruptores ópticos controlados por luz lenta podem reduzir a necessidade de energia um milhão de vezes em comparação com os interruptores que agora operam de tudo, desde equipamentos telefônicos a supercomputadores. Diminuir a velocidade da luz pode levar a um fluxo de tráfego mais ordenado nas redes . Enquanto isso, a luz lenta pode ser usada para construir interferômetros que são muito mais sensíveis à mudança de frequência em comparação com interferômetros convencionais. Esta propriedade pode ser usada para construir melhores sensores de frequência menores e espectrômetros compactos de alta resolução. Além disso, a luz lenta pode ser usada na memória quântica óptica.

Em ficção

A descrição de "luminite" no romance de Maurice Renard , Le maître de la lumière ( O Mestre da Luz , 1933), pode ser uma das primeiras menções à luz lenta.

Essas vidraças têm uma composição pela qual a luz é desacelerada da mesma forma que quando passa pela água. Você sabe muito bem, Péronne, como se pode ouvir mais rapidamente um som através, por exemplo, de um conduíte de metal ou algum outro sólido do que através de um simples espaço. Pois bem, Péronne, tudo isso pertence à mesma família de fenômenos! Aqui está a solução. Esses painéis de vidro diminuem a velocidade da luz em uma taxa incrível, pois é necessário apenas uma folha relativamente fina para diminuí-la em cem anos. Leva cem anos para um raio de luz passar por esta fatia de matéria! Levaria um ano para passar por um centésimo dessa profundidade.

Os trabalhos ficcionais subsequentes que abordam a luz lenta são mencionados abaixo.

  • Os experimentos de luz lenta são mencionados no romance de Dave Eggers , You Shall Know Our Velocity (2002), no qual a velocidade da luz é descrita como um "rastreamento de domingo".
  • No Discworld , onde Terry Pratchett 's romance série ocorre, a luz viaja apenas algumas centenas de milhas por hora devido ao campo mágico de Discworld 'embaraçosamente forte'.
  • "Slow glass" é um material fictício do conto de Bob Shaw , " Light of Other Days " ( analógico , 1966), e de várias histórias subsequentes. O vidro, que retarda a passagem da luz em anos ou décadas, é utilizado para a construção de janelas, chamadas de paisagens , que permitem a moradores da cidade, submarinistas e prisioneiros assistir a cenas "ao vivo" do campo. "Vidro lento" é um material em que o atraso que a luz leva ao passar pelo vidro é atribuído aos fótons que passam "... por um túnel em espiral enrolado fora do raio de captura de cada átomo no vidro." Mais tarde, Shaw retrabalhou as histórias no romance Other Days, Other Eyes (1972).

Veja também

Notas

Referências

  • Lene Vestergaard Hau, SE Harris, Zachary Dutton, Cyrus H. Behroozi, Nature v.397, p. 594 (1999).
  • "Novo guia de ondas fotônicas da IBM". Nature , novembro de 2004.
  • J. Scheuer, GT Paloczi, JKS Poon e A. Yariv, "Coupled Resonator Optical Waveguides: Towards Slow and Storing of Light", Opt. Fóton. News, vol. 16 (2005) 36.