Теория взаимодействия света и вещества в наноструктурах

Для чего нужен «медленный свет»? В чем особенности сверхтекучей жидкости? Каким образом можно использовать поляритоны? Об этом рассказывает кандидат физико-математических наук Алексей Кавокин.

Что происходит со светом, когда он проникает внутрь материала? Например, в алмаз. Почти у каждого в доме есть бриллианты. Как свет через них проходит? Свет, как еще давно понял Ньютон, — это поток частиц. Ньютон думал, что это частицы разного цвета. Сейчас выяснилось, что фотоны, частицы света, действительно разного цвета, но они характеризуются еще и разной энергией или разной частотой и длиной волны. Эти частицы отличаются от всех других тем, что они невесомые, и если им не мешать, то они распространяются в вакууме с одинаковой скоростью света. Когда фотоны попадают в вещество, у них, во-первых, может появиться масса. Во-вторых, у них может изменяться скорость — в самом обычном стекле скорость света становится в полтора раза меньше, чем в вакууме. Можно сделать скорость и в миллион раз меньше, и свет пойдет со скоростью пешехода.

В полупроводниковом кристалле свет обрастает некой материальной субстанцией. Это можно себе представить так: фотон летит и поглощается. Всем известно, что свет поглощается в металлах, в металлическом зеркале. Поглощается, но не исчезает и может сразу же снова излучиться. Тот же самый фотон появляется снова и поглощается еще раз, и снова излучается. И вы не можете сказать, когда у вас есть свет, а когда у вас есть материальная частица экситон, которая его поглощает. Получается такой «шредингеровский кот» — квантово-механическая смесь света и материальной частицы. С какой-то вероятностью вы поймаете свет, с какой-то — частицу. Из-за того, что у света появляется этот материальный компонент, он и вести себя начинает почти как самая нормальная частица. Экситон — это частица, похожая на атом водорода: есть положительный заряд (дырка) и есть отрицательный заряд (электрон), поэтому экситоны друг с другом взаимодействуют. Это приводит к вязкости, к так называемым нелинейным оптическим явлениям, которые могут быть очень сильны. Одно из таких нелинейных оптических явлений заключается в том, что свет может формировать сверхтекучую жидкость, точно так же, как это делает гелий, если его охладить ниже критической температуры порядка 2 градусов Кельвина. Сверхтекучая жидкость проникает в любые поры. Она не имеет вязкости. Так же и свет, когда он в кристалле формирует капли светоматериальных частиц (поляритонов), он в какой-то момент переходит критическую температуру сверхтекучести и начинает распространяться без всякого трения, без всякой вязкости.

Поляритоны очень востребованы. Светожидкость можно использовать для передачи информации, ее можно использовать в оптических компьютерах, в оптических линиях коммуникации и даже в квантовых симуляторах, в квантовых компьютерах. И полный список еще не известен. Сейчас в этой области происходит бум. Появляются десятки научных работ. Nature, Science каждый месяц публикуют статьи на эту тему. Для чего все это нужно? Явление сверхтекучести и родственное ему явление сверхпроводимости изучаются с 30-х годов XX века, сверхпроводимость — с 1911 года. Это интересные явления фундаментальной физики, но они наблюдаются только при очень низких, криогенных температурах. А материальные частицы света такие легкие, что все критические температуры фазовых переходов для них становятся в десятки, сотни раз выше. Поэтому световую жидкость можно получать при комнатной температуре, а значит, ее можно использовать хоть на кухне, хоть в народном хозяйстве. Одно из новых применений — это новый тип лазера, так называемый поляритонный лазер.