느린 빛

Slow light

느린 빛은 매우 낮은 군속도로 광펄스 또는 광캐리어의 다른 변조를 전파하는 것입니다.느린 빛은 전파가 발생하는 매체와의 상호작용에 의해 전파 펄스가 상당히 느려질 때 발생합니다.

c 이하의 그룹 속도는 1880년까지 가능한 것으로 알려져 있었지만 스티븐 해리스와 협력자들이 갇힌 스트론튬 [1][2]원자의 전자기 유도 투명성을 입증한 1991년까지 유용한 방법으로 실현될 수 없었다.광속의 165배 감소는 [3]1995년에 보고되었다.1998년 덴마크 물리학자 레네 베스테르가르 하우는 하버드 대학과 Rowland Institute for Science의 합체 팀을 이끌었는데, 이 팀은 훨씬 더 낮은 그룹 속도를 실현했습니다.그들은 빛의 빔을 [4]초당 약 17미터로 늦추는데 성공했다.2004년, UC버클리 대학의 연구진은 반도체에서 느린 빛의 군속 [5]초속 9.6km를 처음으로 시연했다.하우와 그녀의 동료들은 나중에 빛을 완전히 멈추는데 성공했고, 빛을 멈추었다가 나중에 [6][7]다시 시작할 수 있는 방법을 개발했다.

2005년에 IBM은 꽤 표준적인 재료로 만든 빛을 늦출 수 있는 마이크로칩을 개발하여 잠재적으로 상업적 [8]채택을 위한 길을 열었습니다.

배경

빛이 물질을 통해 전파될 때, 그것은 진공 속도 c보다 느리게 이동합니다.이것은 빛의 위상 속도의 변화이며 굴절과 같은 물리적 효과로 나타납니다.이 속도 감소는 c와 위상 속도 사이의 비율에 의해 정량화됩니다.이 비율을 물질의 굴절률이라고 합니다.느린 빛은 위상 속도가 아니라 빛의 군 속도를 극적으로 감소시키는 것입니다.느린 빛 효과는 아래에서 설명하는 것과 같이 비정상적으로 큰 굴절률에 의한 것이 아닙니다.

고전 물리학에 의해 주어진 빛의 가장 간단한 그림은 전자기장의 파동이나 교란이다.진공상태에서 맥스웰 방정식은 이러한 교란이 기호 c로 나타나는 특정 속도로 이동할 것이라고 예측합니다.이 잘 알려진 물리 상수는 일반적으로 빛의 속도라고 불립니다.모든 관성 기준 프레임에서 빛의 속도가 일정하다는 가정은 특수 상대성 이론의 핵심에 있으며 "빛의 속도는 항상 동일하다"는 일반적인 개념을 낳았다.그러나 대부분의 경우 빛은 전자기장의 장애 그 이상입니다.

매체 내에서 이동하는 빛은 더 이상 전자장만의 교란이 아니라 물질 내에서 하전 입자(전자)의 위치와 속도의 교란입니다.전자의 운동은 (로렌츠 힘에 의해) 장에 의해 결정되지만, 장은 (가우스의 법칙과 앰퍼의 법칙에 의해) 전자의 위치와 속도에 의해 결정된다.이 결합된 전자 전하 밀도장(즉, 빛)의 교란 동작은 여전히 맥스웰 방정식에 의해 결정되지만, 매체와 필드 사이의 긴밀한 연결 때문에 해답은 복잡하다.

물질의 빛의 거동을 이해하는 것은 연구된 장애의 유형을 시간의 사인파 함수로 제한함으로써 단순화된다.이러한 유형의 장애에 대해 맥스웰 방정식은 대수 방정식으로 변환되어 쉽게 풀립니다.이러한 특수 장애는 위상 속도라고 불리는 c보다 느린 속도로 물질을 통해 전파됩니다.c와 위상속도 사이의 비율을 물질의 굴절률 또는 굴절률(n)이라고 한다.굴절률은 주어진 재료에 대해 상수가 아니지만 온도, 압력 및 (정현파) 광파의 주파수에 따라 달라집니다.후자는 분산이라고 불리는 효과로 이어집니다.

사람의 눈은 정현파 교란의 강도를 빛의 밝기로 인식하고 주파수를 색으로 인식한다.특정 시간에 조명이 켜지거나 꺼지거나 변조된 경우 사인파 교란의 진폭도 시간에 따라 달라집니다.시간 변동 진폭은 위상 속도에서 전파되지 않고 오히려 군 속도에서 전파됩니다.군 속도는 재료의 굴절률뿐만 아니라 굴절률이 주파수에 따라 변화하는 방식(즉, 주파수에 대한 굴절률의 유도체)에 따라 달라진다.

느린 빛은 매우 낮은 그룹의 빛의 속도를 말한다.굴절률의 분산 관계가 작은 주파수 범위에서 빠르게 변화할 경우 굴절률이 여전히 전형적인 값(안경과 반도체의 경우 1.5에서 3.5 사이)임에도 불구하고 군 속도는 매우 낮을 수 있으며, c보다 수천 또는 수백만 배 작을 수 있다.

느린 조명을 실현하는 방법

느린 빛을 발생시킬 수 있는 메커니즘이 많이 있으며, 이 메커니즘은 모두 분산이 높은 좁은 스펙트럼 영역(즉, 분산 관계의 피크)을 생성한다.스킴은 일반적으로 재료 분산과 도파관 분산의 두 가지 범주로 분류됩니다.전자유도투명성(EIT), 간섭성인구발진(CPO) 및 다양한 4파혼합(FWM) 스킴과 같은 재료분산기구는 광주파수의 함수로서 굴절률의 급격한 변화를 일으킨다.즉, 전파파의 시간적 성분을 수정한다.이는 비선형 효과를 사용하여 매체의 다이폴 응답을 신호 또는 "프로브" 필드에 수정함으로써 이루어집니다.포토닉 결정, 커플링 공진기 광도파관(CROW) 등의 도파관 분산 기구 및 기타 마이크로 공진기 구조는[9] 전파파의 공간 성분(k-벡터)을 변경한다.느린 빛은 단일부정 메타물질(SNM) 또는 이중부정 메타물질(DNM)[10][11][12]로 실현된 평면 도파관의 분산 특성을 이용함으로써 달성될 수 있다.

저속 조명 방식의 주요 장점은 지연 대역폭 제품(DBP)입니다.대부분의 저속 조명 방식은 실제로 대역폭을 희생하면서 주어진 장치 길이(길이/가로 길이 = 신호 속도)에 대해 임의로 긴 지연을 제공할 수 있습니다.두 개의 곱은 대략 일정하다.관련된 메리트는 펄스가 지연되는 시간을 펄스의 총 시간으로 나눈 부분 지연입니다.EIT의 유사체인 플라스몬 유도 투명성은 서로 다른 공진 모드 간의 파괴적 간섭에 기초한 또 다른 접근방식을 제공한다.최근 연구는 0.40THz보다 [13]큰 주파수 범위에 걸쳐 넓은 투명 창에 걸쳐 이러한 효과를 입증했다.

사용 가능성

포토닉 크리스탈의 느린 빛을 이용하는 광스위치는 광섬유케이블에서의 데이터 전송을 고속화하는 한편,[14][15] 소비전력을 큰폭으로 삭감할 수 있습니다.또, 광네트워크의 지연을 제어하기 위해서도, 저속 조명을 사용할 수 있기 때문에,[16] 보다 질서 있는 트래픽플로우가 가능하게 됩니다.또한 느린 빛은 기존의 [17]간섭계보다 주파수 변화에 훨씬 더 민감한 간섭계를 만드는 데 사용될 수 있습니다.이 특성은 더 나은 소형 주파수 센서와 소형 고해상도 [citation needed]분광기를 구축하는 데 사용될 수 있습니다.다른 잠재적인 응용 분야로는 광학 양자 [18]메모리가 있습니다.

픽션에서

모리스 르나르 소설의 "루미나이트"에 대한 묘사는 [19]느린 빛에 대한 최초의 언급 중 하나일 것이다.

이 유리창들은 빛이 물을 통과할 때와 같은 방식으로 속도가 느려지는 구조로 되어 있다.페로네 씨, 어떻게 하면 금속 도관이나 다른 고체를 통해서 소리를 단순한 공간보다 더 빨리 들을 수 있는지 잘 아실 겁니다.페로네, 이건 모두 같은 현상이야!여기 해결책이 있습니다.이 유리판들은 빛을 100년 동안 느리게 하기 위해 비교적 얇은 시트가 필요하기 때문에 놀라운 속도로 빛을 느리게 한다.한 줄기 빛이 이 물질을 통과하는데 100년이 걸린다!이 [20]깊이의 100분의 1을 통과하는 데는 1년이 걸릴 것이다.

느린 빛을 다루는 후속 소설 작품들은 다음과 같다.

  • 느린 빛 실험은 데이브 에거스의 소설 "너는 우리의 속도를 알아야 한다" (2002)에 언급되어 있는데, 이 책에서 빛의 속도는 "일요일의 크롤"로 묘사된다.
  • 테리 프래쳇의 소설 시리즈가 열리는 디스크월드에서 빛은 디스크월드의 "굴욕스러울 정도로 강한" 마법 [21]분야 때문에 시간당 수백 마일 밖에 이동하지 않는다.
  • "슬로우 글래스"는 밥 쇼의 단편 소설 "빛의 다른 날들"과 그 이후의 몇 가지 이야기들에 나오는 가상의 소재이다.빛의 통과를 몇 년 또는 수십 년 지연시키는 이 유리는 도시 거주자, 잠수함, 죄수들이 "살아있는" 시골 풍경을 볼 수 있게 해주는 스네도라고 불리는 창문을 만드는데 사용된다."슬로우 글래스"는 유리를 통과하는 지연광의 원인이... 유리 안의 각 원자의 포획 반경 바깥에 감긴 나선형 터널을 통과하는 광자에 기인하는 물질이다.쇼는 나중에 그 이야기들을 소설 Other Days, Other Eyes (1972)[22]로 재작성했다.
  • "느린 빛" (2022년)은 두 가지 애니메이션 기술로 Kijek/Adamski에 의해 만들어진 단편 영화이다.그것은 장님으로 태어나 일곱 살 때 갑자기 빛을 보게 되는 한 소년의 이야기이다.건강검진 결과 그의 눈은 빛이 망막에 도달하는 데 7년이 걸릴 정도로 밀도가 높은 것으로 나타났다.눈의 결함의 결과는 인간의 정신적인 미성숙, 현재에 대한 이해 부족, 그리고 오래 전에 사라진 사실에 대한 뒤늦은 반성으로 이어진다.그 남자는 나이에 비해 결코 성숙하지 않고 끊임없이 과거를 더듬는다.

「 」를 참조해 주세요.

메모들

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  2. ^ Boller, K.-J.; Imamoğlu, A.; Harris, S. E. (1991-05-20). "Observation of electromagnetically induced transparency". Physical Review Letters. 66 (20): 2593–2596. Bibcode:1991PhRvL..66.2593B. doi:10.1103/PhysRevLett.66.2593. ISSN 0031-9007. PMID 10043562.
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  5. ^ Ku, Pei-Cheng; Sedgwick, Forrest; Chang-Hasnain, Connie J.; Palinginis, Phedon; Li, Tao; Wang, Hailin; Chang, Shu-Wei; Chuang, Shun-Lien (2004-10-01). "Slow light in semiconductor quantum wells". Optics Letters. 29 (19): 2291–2293. Bibcode:2004OptL...29.2291K. doi:10.1364/OL.29.002291. ISSN 0146-9592. PMID 15524384. S2CID 18216095.
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레퍼런스

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  • "IBM의 새로운 포토닉 도파관"네이처, 2004년 11월
  • J. Scheuer, G. T. Paloczi, J. K. S. Poon 및 A.Yariv, "커플 공진기 광도파관:빛의 속도 저하와 저장을 향해서」, Opt.광자뉴스, 제16권 (2005) 36호