Предложен идеальный мета-атом для хранения света

Учёные из Коимбрского университета в Португалии предложили теоретическую модель «мета-атома», способного хранить «бит» света бесконечно долго. Неизбежные потери в подобной системе предложено компенсировать усилением, аналогичным усилению излучения в лазерах. Работа опубликована в журнале Nature Communications.

Хранение запертого в некоторой структуре света является необходимым условием создания оптических компьютеров, основанных на передаче и обработке информации не электронами, а в фотонами. Предлагаемые традиционно для этого устройства основаны на использовании барьеров для света в виде зеркал или фотонных кристаллов. Однако из-за волновой природы света и необходимости взаимодействовать с ним в процессе компьютерных вычислений достичь с помощью обычных методов бесконечно долгого хранения информации невозможно даже теоретически.

В последнее время, однако, развиваются альтернативные подходы к этой проблеме с использование открытых резонаторов специальной формы. Такие структуры, хотя формально и не имеют непроходимых для света преград, устроены таким образом, что способны удерживать свет в течение очень долгого времени. Впервые они были рассмотрены теоретически ещё в 1929 году Джоном фон Нейманом и Юджином Вигнером, а впоследствии неоднократно исследовались и другими учёными.

Авторы работы развивают эти идеи, предлагая использовать в качестве хранителя света так называемый «мета-атом» — наноразмерную структуру, обладающую свойствами атома в том смысле, что, как и атом, её энергия может иметь только совершенно определённый дискретный набор значений — говорят, что энергия такой структуры квантуется. В отличии от обычного атома, однако, в возбуждённом состоянии мета-атом способен удерживать внутри себя определённое количество излучения, которое оказывается как бы запертым и может рассматриваться как записанный «бит» информации.

Интересно, что подбором свойств материалов мета-атома удаётся достичь эффекта, когда свет, падающий на него, способен проникнуть внутрь, но часть излучения обратно выйти не может. Это достигается за счёт использования нелинейных эффектов — длина волны света в мета-атоме зависит от его интенсивности. У падающего света длина волны такова, что он практически беспрепятственно проникает внутрь, но с ростом интенсивности, то есть в процессе накопления света в мета-атоме, длина его волны уменьшается и в конце концов достигает критической величины, при которой свет больше не может выйти за пределы структуры. Как это выглядит в численном моделировании можно посмотреть на анимации ниже.

Эволюция электрического поля световой волны, падающей на мета-атом, со временем.
Эволюция электрического поля световой волны, падающей на мета-атом, со временем.

Если бы используемые материалы были идеальными, то согласно аналитическим и численным расчётам, свет мог бы удерживаться в подобном мета-атоме сколь угодно долго. На практике, однако, любой материал обладает поглощением, что приводит к потерям энергии излучения. Чтобы побороть эту проблему, учёные предлагают использовать в ядре мета-атома среду, способную усиливать свет, аналогично тому, как усиливается излучение в лазерах. Авторы утверждают, что можно подобрать коэффициент усиления так, чтобы интенсивность света в предложенной ими структуре не уменьшалась. Таким образом, можно на практике достичь бесконечно долгого хранения оптической информации в веществе.

Ещё одной проблемой, решённой теоретиками, стало извлечение хранимого «бита» света в нужный момент. Для этого на мета-атом подаётся ещё один импульс излучения определённой формы. Как происходит извлечение хранимой оптической информации из мета-атома в моделировании можно посмотреть в анимации ниже.

Эволюция электрического поля при падении двух подряд идущих импульсов на мета-атом. Первый записывает бит информации, а второй его считывает.
Эволюция электрического поля при падении двух подряд идущих импульсов на мета-атом. Первый записывает бит информации, а второй его считывает.

Авторы надеются, что предложенный ими механизм будет полезен при разработке полностью оптической памяти, необходимой для создания в будущем сверхбыстрых фотонных компьютеров. Однако сложность экспериментальной реализации описанного мета-атома на данный момент оценить непросто. Ещё труднее сравнить его преимущества и недостатки с альтернативными схемами. Ответить на вопрос о практической пригодности новой схемы смогут только будущие эксперименты.


Статья изначально опубликована на сайте N+1.

comments powered by Disqus