Электронные технологии — это технологии 20-го века. В дальнейшей перспективе на смену электронным устройствам должны прийти фотонные и фотоэлектрические устройства, внутри которых для передачи и обработки информации используются лучи или отдельные частицы света — фотоны. Однако, прежде чем такое может стать реальностью, прежде чем оптические компоненты появятся в процессорах компьютеров и других чипах, исследователям потребуется разработать методы контроля и управления светом на наноразмерном уровне.
Исследователи из Школы технических и прикладных наук (School of Engineering and Applied Sciences, SEAS) Гарвардского университета, возглавляемые профессором Эриком Мазуром (Eric Mazur), в поисках технологий управления светом разработали первый в своем роде метаматериал, который можно использовать в компонентах на поверхности чипов. И самым интересным является то, что этот материал обладает нулевым значением коэффициента преломления, что, в свою очередь, означает, что фазовая скорость света в среде этого материала может быть увеличена теоретически до бесконечности.
«Свет — это субстанция, которую очень трудно сжать и которой достаточно непросто управлять. Но новый метаматериал, сложный материал, обладающий уникальным набором оптических свойств, позволит реализовать некоторые «чудеса» по отношению к свету» — рассказывает профессор Мазур, — «При помощи этого материала мы можем сжимать, изгибать, закручивать и уменьшать диаметр луча света от микромасштаба до наноразмерного».
Понятие бесконечно большой скорости света должно входить в противоречие с Теорией относительности Альберта Эйнштейна. Согласно этой теории ничего во Вселенной не может двигаться быстрее информации, переносимой фотонами света. Но у света имеется еще один вид скорости, так называемая фазовая скорость, которая определяет, как быстро движутся друг относительно друга максимумы и минимумы электромагнитной волны света. И именно эта скорость увеличивается и уменьшается в зависимости от характеристик материала, через который проходит луч света.
Когда свет проходит, к примеру, через воду, его фазовая скорость уменьшается, что приводит к изменениям длины волны. Когда этот свет покидает водную среду, его фазовая скорость восстанавливается до исходного значения и длина волны становится больше. Отношение фазовой скорости света в вакууме к скорости света в материале называют коэффициентом преломления и у воды значение этого коэффициента равно приблизительно 1.3.
Но если материал обладает нулевым значением коэффициента преломления, то в его среде со светом начинают происходить странные и интересные явления. В среде такого материала свет перестает вести себя подобно движущейся волне, состоящей из череды максимумов и минимумов. Фазовая скорость света увеличивается до бесконечности и волна света обретает бесконечно большую длину. Минимумы и максимумы такой волны более не являются ее пространственными характеристиками и переходят в разряд чисто временных показателей.
Обладание такой бесконечной постоянной фазой позволяет лучу света быть растянутым, искривленным и сжатым совершенно без потерь энергии. В этом свете материал с нулевым коэффициентом преломления может обеспечить реализацию технологий, необходимых для области квантовых вычислений и квантовых коммуникаций.
Собственно метаматериал состоит из матрицы кремниевых столбиков, заключенных в основании из полимерного материала, «обернутого» тончайшей золотой пленкой. Такой материал может быть включен в структуру кремниевых волноводов и его наличие позволит реализовать взаимодействие между фотонными компонентами и обычными электронными компонентами, интегрированными на кристалл одного чипа.
«Использование материала с нулевым коэффициентом преломления позволит создать квантовые излучатели, генерирующие фотоны, волны которых четко синхронизированы по фазе друг с другом» — рассказывает Филип Муноз (Philip Munoz), аспирант, работающий под руководством профессора Мазура, — «Это, в свою очередь, позволит получать надежно запутанные на квантовом уровне фотоны и при их помощи более надежно запутывать квантовые биты, кубиты, вычислительных устройств. Наш новый материал только открывает дверь в область исследований физики нулевого коэффициента преломления и применения всего этого в интегральной оптике и оптоэлектронике».
