Физики повторили знаменитый эксперимент с волнами света, на этот раз заставив их проходить сквозь щели во времени
Новый эксперимент отсылает к демонстрации 220-летней давности, в которой свет проходит через две щели в экране, создавая уникальную дифракционную картину в пространстве, где пики и впадины световой волны складываются или компенсируются друг с другом. В новой же работе исследователи создали аналогичную картину во времени, существенно изменив цвет ультракороткого лазерного импульса.
Полученные данные открывают путь к прогрессу в аналоговых компьютерах, которые управляют данными, отпечатанными в лучах света, а не цифровыми битами — это может даже заставить такие компьютеры «учиться» на данных. Они также углубляют наше понимание фундаментальной природы света и его взаимодействия с материалами.
Для нового исследования, описанного в журнале Nature Physics, ученые использовали оксид индия-олова (ITO), материал, который содержится в большинстве экранов телефонов. Ученые уже знали, что ITO может изменяться от прозрачного до отражающего в ответ на свет, но команда обнаружила, что это происходит намного быстрее, чем считалось ранее — менее чем за 10 фемтосекунд (10 миллионных миллиардных долей секунды).
«Это было очень большим сюрпризом, и вначале мы не могли объяснить его», — рассказал ведущий автор исследования Риккардо Сапиенца, физик из Имперского колледжа Лондона. В конце концов, исследователи выяснили, почему реакция произошла так быстро, тщательно изучив теорию того, как электроны в ITO реагируют на падающий свет. «Но нам потребовалось много времени, чтобы понять это», — отмечают авторы работы.
Время меняется на пространство
Английский ученый Томас Янг впервые продемонстрировал волнообразную природу света, используя ставший уже классическим эксперимент с «двумя щелями» в 1801 году. Две волны света проходят друг через друга. Пики и впадины этих волн либо складываются, либо компенсируются, создавая яркие и темные полосы, называемые интерференционной картиной.
В новом исследовании Сапиенца и его коллеги воссоздали подобную картину во времени, направив лазерный импульс «накачки» на экран, покрытый ITO. Хотя ITO изначально был прозрачным, свет от лазера изменил свойства электронов внутри материала, так что ITO отражал его, как зеркало. Последующий «зондовый» лазерный луч, попадающий на экран ITO, увидит это временное изменение оптических свойств как щель во времени длиной всего в несколько сотен фемтосекунд. Использование второго лазерного импульса накачки заставило материал вести себя так, как если бы он имел две щели во времени — аналог света, проходящего через двойные пространственные щели.
В то время как при прохождении через обычные пространственные щели свет меняет направление и расходится веером, в случае «временных щелей» его частота изменяется обратно пропорционально его длине волны. А мы напоминаем, что именно длина волны видимого света определяет его цвет.
В новом эксперименте интерференционная картина проявлялась в виде полос или дополнительных пиков в частотных спектрах — графиках измеренной интенсивности света на разных частотах. Точно так же, как изменение расстояния между пространственными щелями изменяет результирующую интерференционную картину, отставание между временными щелями диктует расстояние между интерференционными полосами в частотных спектрах. И количество полос в этих интерференционных картинах, которые видны до того, как их амплитуда уменьшится до уровня фонового шума, показывает, насколько быстро меняются свойства ITO; материалы с более медленным откликом дают меньше обнаруживаемых интерференционных полос.
Кстати, это не первый случай, когда ученые выяснили, как манипулировать светом во времени, а не в пространстве. Например, ученые из Google утверждают, что их квантовый компьютер Sycamore создал кристалл времени, новую фазу материи, которая изменяется не в пространстве (как обычные атомы), а во времени.