Физики выяснили, почему ни один материал не может быть абсолютно прозрачным
Международная группа физиков из США, Италии и Франции обнаружила фундаментальное квантовое ограничение, которое не позволяет создавать идеально прозрачные материалы, изменяющие направление распространения света. Теоретические расчёты показали, что даже в абсолютно чистом веществе при нулевой температуре часть светового излучения неизбежно рассеивается из-за взаимодействия фотонов с квантовыми колебаниями атомов. Этот эффект невозможно полностью устранить совершенствованием структуры материала.
Причина заключается в способности фотонов передавать часть своей энергии коллективным колебаниям вещества — фононам. Когда свет проходит через материал, отдельный фотон может взаимодействовать с его атомами и возбуждать чрезвычайно слабую звуковую волну. После такого взаимодействия фотон продолжает существовать, но обладает немного меньшей энергией и может двигаться в другом направлении. Постепенно эти процессы ослабляют первоначальный световой поток.
Для изучения явления исследователи построили математическую модель сверхтекучей жидкости. В качестве примера использовался гелий-4, который при охлаждении примерно до двух градусов выше абсолютного нуля переходит в особое квантовое состояние. Сверхтекучий гелий практически лишён внутреннего трения и отличается очень высокой прозрачностью, поэтому позволяет исследовать слабые механизмы взаимодействия света с веществом.
Расчёты показали, что квантовое рассеяние сохраняется даже при полном отсутствии примесей и тепловых колебаний. Это связано с тем, что коллективные движения атомов существуют и в основном квантовом состоянии вещества. Фотоны способны возбуждать такие колебания, передавая им небольшую часть энергии.
Исследователи установили, что в низкочастотном пределе мнимая часть показателя преломления, характеризующая ослабление света, увеличивается пропорционально четвёртой степени частоты излучения. Поэтому величина эффекта сильно зависит от характеристик проходящего света. Для излучения низкой частоты потери могут быть настолько малы, что практически не поддаются измерению.
Учёные также рассмотрели воздействие мощных лазерных импульсов. В отличие от обычного некогерентного света, лазерное излучение может вызывать дополнительные нелинейные взаимодействия с веществом. При определённых параметрах они способны существенно усиливать передачу энергии фононам.
Полученные результаты устанавливают теоретический предел прозрачности для материалов, взаимодействующих со светом и обладающих показателем преломления, отличным от единицы. Однако подробные вычисления пока выполнены для модели сверхтекучей жидкости. Возможность распространения полученных закономерностей на другие вещества требует дальнейшего изучения.
Работа может помочь уточнить фундаментальные ограничения оптических материалов, применяемых в лазерной технике, волоконно-оптической связи и высокоточных измерительных системах. При этом исследователи пока не установили, в каких практических устройствах рассчитанный квантовый эффект станет заметным.
Препринт исследования в научном архиве arXiv.