Замедленный свет ускорит оптическую электронику

Физики из МГУ и Технологического университета Тойохаши (Япония) разработали методику сверхбыстрого управления поворотом поляризации света. Открытие может найти применение в принципиально новых оптических компьютерах, где вместо электронов используются фотоны. Соответствующая статья опубликована в Physical Review Applied. 

В электронике часто необходимо управлять переключением оптических элементов. Например, все жидкокристаллические экраны работают, переключая состояние крохотных пикселей так, чтобы их свет становился ярче или слабее. Для этого используют так называемый поворот поляризации света.

Поляризацией световых волн называют колебания продольной световой волны в плоскости, перпендикулярной направлению ее распространения (на иллюстрации выше). В жидких кристаллах поляризация меняется за счёт разворота сразу всей молекулы жидкого кристалла. По меркам микромира эта молекула довольно велика, так что этот процесс для неё занимает десятки миллисекунд.

Учёные предложили изменять поляризацию не механическим поворотом всей громоздкой молекулы, а с помощью эффекта, открытого ещё Фарадеем. Его суть в том, что плоскость поляризации света поворачивается при прохождении через намагниченное вещество.

Один такой проход даёт недостаточно сильный поворот поляризации. Но ещё в 1998 году один из авторов статьи, японский физик Мицутеру Иноуэ, предложил концепцию пространственных модуляторов света на основе магнитофотонных кристаллов, способных решить проблему. Эти микроскопические кристаллы содержат в себе оптические резонаторы — системы из двух параллельных зеркал. Фотон, попавший в такой резонатор, сравним с ним по размеру и поэтому сразу "выбраться наружу" не может. Вместо этого он какое-то время переотражается между зеркалами и выходит оттуда с большим запозданием. 

Чтобы сделать особенно эффективный пространственный модулятор света, можно многократно воздействовать эффектом Фарадея на такой "застрявший" фотон. Если приложить к поляризованному свету, проходящему через этот кристалл, магнитное поле, то эффект Фарадея будет увеличиваться с каждым проходом фотонов от зеркала к зеркалу. Из-за этого он станет намного сильнее, чем при однократном действии на фотоны.

Теперь совместная группа исследователей добилась того, что из их ловушки свет выходит с десятикратным замедлением относительно обычной его скорости. За счет этого удельный фарадеевский поворот поляризации "обработанных" световых волн увечился также на порядок. В результате, несмотря на замедление света, удалось изменить скорость поворота поляризации света, сделав её намного быстрее обычной. Ведь теперь вместо молекулы надо "поворачивать" магнитным полем лишь несопоставимо более быстрые фотоны.

Чтобы замерить скорость поворота поляризации, физики МГУ использовали фемтосекундные лазеры (фемтосекунда — одна квадриллионная доля секунды). Между началом и "хвостом" лазерного импульса длиной всего в 200 фемтосекунд поляризация уже менялась на значительную величину. По словам исследователей, пока величина эффекта, полученного в МГУ, всё ещё недостаточна для практического использования. Но принципиальных ограничений на её наращивание нет, и такой результат вполне может быть достигнут в ближайшее время.  

Хотя для обычных ЖК-экранов скорости жидкокристаллической модуляции вполне достаточно (не говоря уже о новых модуляторах), в нанофотонике ситуация совсем другая. Чтобы вместо электронов в компьютерах использовать фотоны, нужно иметь скорости поворота поляризации намного выше уже достигнутых. Новые быстрые пространственные модуляторы света могут применяться при создании голографической памяти и трёхмерных дисплеев.

Скорость записи в трёхмерную голографическую память напрямую зависит от скорости переключения пространственного модулятора света. Уже сегодня группа профессора Иноуэ демонстрирует работающие с помощью магнитофотонных модуляторов света образцы голографической памяти и дисплеев для воспроизведения 3D-изображений и видео.