Группа физиков из МГУ имени М.В.Ломоносова и Технологического университета Тойохаши (Япония) разработала методику сверхбыстрого управления поворотом поляризации света. По мнению ученых, это открывает совершено новые перспективы для систем оптической обработки информации, в том числе и для создания световых компьютеров, в которых вместо электронов работают исключительно фотоны. Об этой методике они рассказали в статье, опубликованной в последнем номере журнала Physical Review Applied. Этот журнал появился в знаменитом семействе Physical Review всего несколько лет назад в связи с потребностью публиковать физические работы, результаты которых можно использовать на практике.
В данном случае результаты работы могут применяться при изготовлении так называемых пространственных модуляторов света, на основе которых работают, например, все жидкокристаллические экраны. Они устроены так, что каждый маленький пиксель с какой-то данной ему скоростью может переключать свет, делать его ярче или слабее, причем осуществляется это переключение за счет поворота поляризации света. По словам одного из авторов работы Татьяны Долговой, старшего научного сотрудника лаборатории нанооптики метаматериалов физического факультета МГУ, новые быстрые пространственные модуляторы света могут применяться при создании голографической памяти, трехмерных дисплеев, а также точных сенсоров показателей преломления и сенсоров магнитного поля.
Скорость записи в трехмерную голографическую память напрямую зависит от скорости переключения пространственного модулятора света. В жидких кристаллах эта скорость сильно ограничена, поскольку поворот поляризации у них осуществляется путем поворота самой ЖК-молекулы, а это занимает десятки миллисекунд. Ученые предложили осуществлять вращение поляризации не механическим поворотом, а с помощью эффекта, открытого еще Фарадеем. Его суть заключается в том, что плоскость поляризации света поворачивается при прохождении через намагниченное вещество.
В 1998 году один из авторов статьи, японский физик Мицутеру Иноуэ предложил концепцию пространственных модуляторов света на основе новых наноструктур — магнитофотонных кристаллов. Эти микроскопические кристаллы содержат в себе оптические резонаторы — системы из двух параллельных зеркал. Сегодня главная сфера использования этих кристаллов заключается в существенном «замедлении» света. Фотон, попавший в такой резонатор, сразу «выбраться наружу» не может, он какое-то время перемещается между зеркалами и выходит оттуда с большим запозданием. Так что если к поляризованному свету, проходящему через этот кристалл, приложить магнитное поле, то эффект Фарадея будет увеличиваться с каждым проходом от зеркала к зеркалу и в конечном счете должен стать намного заметнее.
«Мы работаем над магнитофотонными кристаллами совместно с профессором Иноуэ практически с самого начала, и за эти пятнадцать лет узнали об этих удивительных наноструктурах много нового, — говорит один из авторов статьи Татьяна Долгова. — И вот наконец мы добрались до сверхбыстрой модуляции света. В наших экспериментах с реальными кристаллами мы добились того, что свет из них выходит примерно в десять раз позже, чем если бы шел просто в воздухе. И это дает увеличение удельного фарадеевского поворота на порядок!».
По словам Долговой, никакого парадокса между «замедлением» света и вызванной этим замедлением сверхбыстрой модуляцией нет. «"Медленный" свет на самом деле медленный только относительно скорости света в вакууме, а по сравнению со скоростью поворота молекул жидких кристаллов это все равно несравнимо быстро».
В своих экспериментах физики МГУ добились того, что плоскость поляризации «медленного» света поворачивается так быстро, что отличается на заметную величину даже между началом и «хвостом» фемтосекундного лазерного импульса длительностью всего около 200 фемтосекунд. (Фемтосекунда — это одна квадриллионная доля секунды или одна миллионная часть наносекунды). Долгова говорит, что величина эффекта, полученного в МГУ, все еще недостаточна для практического использования, однако, ограничения не являются принципиальными. Физики недвусмысленно показали: сверхбыстрая модуляция света в магнитофотонных кристаллах возможна и имеет более чем хорошие перспективы.
Несмотря на то, что для обычных экранов скорости жидкокристаллической модуляции вполне достаточно, сверхскорость переключения необходима в тех устройствах нанофотоники, где вместо электронов используются фотоны для осуществления какой-то логики или счета, фотонного переключения, оптической записи, — то есть в потенциале для создания фотонных компьютеров. И уже сейчас группа профессора Иноуэ демонстрирует работающие с помощью быстрых магнитофотонных пространственных модуляторов света образцы трехмерной голографической памяти и дисплеев для воспроизведения 3D изображений и видео.