Ученые создали фотонные аналоги кротовых нор и множественных реальностей
Китайские ученые сообщают об успешном использовании специальных искусственных материалов для создания так называемых «фотонных параллельных пространств», которые имитируют эффекты, аналогичные кротовым норам и множественным реальностям. В основе нового исследования лежат оптические системы, в которых один материал способен выполнять роль двух различных оптических устройств одновременно, подобно «суперпозиции» кота Шрёдингера, когда свет может демонстрировать несколько свойств сразу.
Эксперименты, подробно описанные в новой статье в Nature Communications, позволили исследователям создать невидимые пути и другие оптические эффекты, которые могут открыть путь к целому ряду новых технологических применений в будущем. Чтобы преодолеть давние трудности в демонстрации таких концепций, исследовательская группа использовала специальные искусственные материалы, разработав «фотонную аналогию» параллельных пространств. Это условия, при которых «две различные эффективные оптические среды сосуществуют в одном искусственном материале», и доступ к каждой из них осуществляется через разные границы этого материала.
Метод команды, дополненный машинным обучением, успешно помог создать аналогии «фотонных кротовых нор», функционирующих как невидимые оптические туннели, а также «фотонных множественных реальностей», где независимое функционирование двух разных оптических устройств происходит в одном месте. Эффект производит оптические рассеиватели, которые работают «так, как если бы они существовали в отдельных измерениях». Когда свет входит в одну границу искусственных материалов, он испытывает совершенно иной набор оптических эффектов по сравнению со светом, входящим с другой границы. При этом каждое из этих оптических явлений происходит без какого-либо вмешательства между ними.
Исследователи сравнивают этот эффект с классической книгой Клайва Льюиса «Хроники Нарнии», где разные «двери» могут вести в совершенно отдельные миры, расположенные в одном месте. Профессор школы физики Нанкинского университета и один из корреспондирующих авторов статьи Юнь Лай пояснил, что этот эффект «позволяет нам имитировать явления высших измерений в фотонной лаборатории». Он добавил, что это похоже на размещение двух оптических реальностей в одном материале, и такие возможности потенциально могут позволить создать новые технологии, ранее немыслимые.
В первом наборе экспериментов команде удалось создать эффект «кротовой норы» с использованием удлиненного нелокального искусственного материала, через который пропускался луч электромагнитного излучения. Проходя через «кротовую нору», луч удерживался так, как если бы он проходил через волновод с нулевым показателем преломления. При входе с длинной стороны материала луч демонстрировал почти нулевое отражение, что позволяло ему становиться функционально невидимым для внешнего света.
Кроме того, исследователи продемонстрировали «фотонные множественные реальности», в которых один и тот же материал имитировал свойства других видов оптических технологий в зависимости от используемой границы входа. В одном эксперименте материал рассеивал свет так, как это делал бы объект в форме лодки, а в другом примере он вел себя как рассеиватель света в форме дерева.
Создавая аналогии этих необычных явлений, исследователи сообщают, что наблюдаемые ими оптические свойства могут помочь «преодолеть ограничения физических измерений», что в конечном итоге может предложить путь к созданию беспрецедентных многоцелевых технологий. Юнь Лай подчеркивает, что они не строят настоящие кротовые норы или мультивселенные, но делают эти концепции практичными для инженерии. Такие приложения потенциально могут преобразовать несколько технологических областей, используя нелокальность как новую степень свободы. В основе работы лежит моделирование эффектов физики высших измерений, которое может открыть новые пути для создания технологий, выходящих далеко за рамки обычных ограничений, потенциально революционизируя область фотоники и смежные области.