Как искривить свет без черной дыры: удивительные свойства фотонных кристаллов

Свет — одно из самых удивительных и загадочных явлений природы. Он может распространяться в вакууме, отражаться от зеркал, преломляться в линзах, дифрагировать на решетках, интерферировать на экранах и даже изгибаться под действием гравитации. Это последнее свойство света было предсказано Альбертом Эйнштейном в его общей теории относительности и подтверждено многочисленными наблюдениями астрономов. Однако, чтобы наблюдать гравитационное линзирование света, необходимы огромные массы, такие как галактики или черные дыры, которые искривляют пространство-время вокруг себя.

Но что если можно создать аналогичный эффект на много меньшем масштабе, используя специальные кристаллы? Это исследовали японские физики в своей новой статье, опубликованной в журнале Physical Review A. Они использовали так называемые фотонные кристаллы — наноструктуры, состоящие из двух или более материалов с разным показателем преломления, упорядоченных в периодический рисунок. Такие кристаллы могут замедлять свет при прохождении через них и изменять его направление. Если же искажать структуру кристалла, то можно добиться того, что свет будет отклоняться так же, как если бы он проходил рядом с черной дырой. Это явление получило название псевдогравитации.

Как это работает?

Дело в том, что свет всегда движется по самому короткому пути в пространстве-времени, который называется геодезической линией. В плоском пространстве-времени эта линия является прямой, но в искривленном пространстве-времени она может быть изогнутой. Гравитация искривляет пространство-время, поэтому свет отклоняется от своего первоначального направления. Фотонные кристаллы также создают эффективное искривление пространства-времени для света, но не за счет массы, а за счет изменения показателя преломления. Если ввести искажение в кристаллическую решетку, то можно симулировать различные гравитационные сценарии.

Чтобы продемонстрировать это, ученые изготовили фотонный кристалл из кремния и деформировали расстояние между его элементами. Затем они направили на кристалл пучок света и наблюдали его отклонение. Оказалось, что свет изгибается так же, как если бы он проходил рядом с черной дырой. Экспериментальные результаты хорошо согласовались с теоретическими расчетами.

Зачем нужно создавать псевдогравитацию?

Один из ответов — для изучения гравитации самой по себе. Это одна из самых сложных и не до конца понятых сил природы, которая не поддается объединению с квантовой механикой. Возможно, фотонные кристаллы могут помочь в поиске теории квантовой гравитации, которая объяснила бы поведение гравитона — гипотетической частицы, переносящей гравитационное взаимодействие.

Другой ответ — для развития технологий, основанных на управлении светом. Например, фотонные кристаллы могут быть использованы для создания устройств, работающих в терагерцовом диапазоне частот. Это может открыть новые возможности для беспроводной связи, сканирования, диагностики и безопасности. Так называемая 6G-технология будет требовать передачи информации на сверхвысоких скоростях, и псевдогравитация может помочь в этом.

Таким образом, фотонные кристаллы — уникальный материал, который позволяет имитировать гравитационное линзирование света на наноуровне. Это открывает новые горизонты для физики и техники, а также для познания самой природы.