Физики из Московского физико-технического института (МФТИ) и Университета Техаса в Остине теоретически доказали возможность практически полного поглощения света прозрачными материалами. На практике это означает, что прозрачные диэлектрики могут стать ячейками низкоэнергетической оптической памяти с моментальным быстродействием, так как процессами поглощения и высвобождения света из них можно управлять, меняя интенсивность падающего на прозрачный диэлектрик света. Работа опубликована в декабрьском номере журнале Optica.
Фото: МФТИ
Работа физиков-теоретиков — яркий пример того, как легко в науке могут разрушаться, казалось, незыблемые стереотипы. Уголь или сажа черные потому, что, с точки зрения физики, они поглощают энергию электромагнитных волн видимого света (превращая ее в конечном итоге в тепло) на 96% и 99% соответственно. Изобретенный в 2014 году материал из массива вертикальных углеродных нанотрубок (Vantablack) поглощает свет на 99,965%, а «абсолютно черное тело» (физическая абстракция) — на все 100%.
Стекло или минерал кварц вообще не имеют цвета, они прозрачные. Чисто вымытое стекло можно даже не заметить и стукнуться об него лбом, пытаясь пройти сквозь него. Причина, с точки зрения физики, здесь та же: прозрачные тела практически не поглощают электромагнитные волны света, а рассеивают их. Так считалось со времен Киргофа, который в середине позапрошлого века ввел в физику понятие «абсолютно черного тела», и никаких оснований сомневаться в этой стройной теории не было.
Российские и американские физики, однако, усомнились, а проведя расчеты, убедились, что очевидное в буквальном смысле невероятно. Вероятно другое, а именно — то, что если особым образом менять во времени интенсивность падающего на прозрачное тело пучка света (увеличивать ее по экспоненте), то в какой-то момент вся энергия падающего света начнет копиться внутри прозрачного материала, не рассеиваться и покидать его. Как в «абсолютно черном теле»! Но как только экспоненциальное нарастание амплитуды падающей волны света прекращается, вся «запертая» внутри прозрачного тела энергия рассеивается и покидает его.
«Теоретические результаты, полученные в этой работе, оказались очень контринтуитивными. Думаю, что никто из авторов до начала исследования не мог предположить, что с помощью прозрачной системы можно провернуть такой “фокус”,— говорит один из авторов работы аспирант МФТИ Денис Баранов.— Но сама математика подсказала нам дорогу к этому эффекту, и неизвестно, какие еще необычные явления скрываются за ширмой простой электродинамики».
Авторы открытия произвели расчеты для тонкого слоя прозрачного диэлектрика, которые подтвердили, что прозрачное тело способно последовательно то идеально поглощать энергию света, то идеально ее рассеивать. Из чего вытекает весьма важное практическое приложение открытого эффекта. Можно создать устройства оптической памяти, работающие по этому принципу, которые будут без потерь хранить оптическую информацию и высвобождать ее в нужный момент времени.
Дмитрий Воронин