Взаимодействие между светом и звуком

Команда исследователей из Имперского колледжа Лондона, Оксфордского университета и Национальной физической лаборатории экспериментально достигла давней цели продемонстрировать так называемый «режим сильной связи» между световыми и высокочастотными акустическими колебаниями.

Исследования команды окажут влияние на классическую и квантовую обработку информации и даже на тестирование квантовой механики в больших масштабах. Подробности их исследования опубликованы сегодня в престижном научном журнале Optica.

Центральное место в исследованиях группы занимают так называемые «резонансы в режиме шепчущей галереи», когда свет многократно отражается от поверхности крошечной круглой стеклянной структуры, показанной на рисунке выше.

Это явление названо в честь эффекта, который наблюдался в соборе Святого Павла в девятнадцатом веке, когда можно было говорить шепотом вдоль стены круглого здания галереи и быть услышанным с другой стороны.

«Удивительно, что эти стеклянные кольцевые резонаторы могут хранить чрезмерное количество света, которое может «встряхивать» молекулы в материале и генерировать акустические волны», — сказал соавтор проекта доктор Паскаль Дель Хей из Национальной физической лаборатории.

Поскольку свет циркулирует по окружности стеклянной структуры, он взаимодействует с акустической вибрацией 11 ГГц, которая вызывает рассеивание света в обратном направлении. Это взаимодействие позволяет обменяться энергией между светом и звуком с определенной скоростью. Тем не менее, как световое, так и звуковое поля будут затухать из-за процессов, похожих на трение, не позволяя им двигаться шаг за шагом.

Исследователи преодолели эту проблему, использовав два таких резонанса в режиме шепчущей галереи, и достигли скорости связи, которая больше, чем эти процессы, подобные трению, что позволяет наблюдать непрекращающийся «танец» света со звуком.

Ведущий автор проекта Георг Энзян из Оксфордского университета сказал: «Достижение этого режима сильной связи было для нас волнующим моментом».

Команда ученых сейчас готовит следующее поколение экспериментов, которые будут проводиться при температурах, близких к абсолютному нулю. «Это позволит исследовать и использовать высокочувствительное квантово-механическое поведение для разработки квантовых технологий», — сказал главный исследователь проекта, доктор Майкл Ваннер из лаборатории квантовых измерений в Имперском колледже Лондона.

G. Enzian et al, Observation of Brillouin optomechanical strong coupling with an 11 GHz mechanical mode, Optica (2018). DOI: 10.1364/OPTICA.6.000007