Ny klasse af laserstråler følger ikke normale brydningslove

University of Central Florida forskere har udviklet en ny type laserstråle, der ikke følger langvarige principper om, hvordan lys brydes og bevæger sig.

Fundene, som blev offentliggjort for nylig i Natur fotonik , kan have enorme konsekvenser for optisk kommunikation og laserteknologier.

"Denne nye klasse af laserstråler har unikke egenskaber, som ikke deles af almindelige laserstråler, " siger Ayman Abouraddy, en professor ved UCF's College of Optics and Photonics og undersøgelsens hovedforsker.

Bjælkerne, kendt som rumtidsbølgepakker, følg forskellige regler, når de brydes, det er når de passerer gennem forskellige materialer. Normalt, lyset bremses, når det bevæger sig ind i et tættere materiale.

"I modsætning, rumtidsbølgepakker kan arrangeres til at opføre sig på den sædvanlige måde, ikke at ændre hastighed overhovedet, eller endda for unormalt at fremskynde i tættere materialer, " siger Abouraddy. "Som sådan, disse lysimpulser kan ankomme til forskellige punkter i rummet på samme tid."

"Tænk på, hvordan en ske inde i et vandfyldt glas ser knust ud på det sted, hvor vandet og luften mødes, " Abouraddy siger. "Lysets hastighed i luft er forskellig fra lysets hastighed i vand. Også, lysstrålerne ender med at bøje sig, efter at de krydser overfladen mellem luft og vand, og så tilsyneladende ser skeen bøjet ud. Dette er et velkendt fænomen beskrevet af Snells lov."

Selvom Snells lov stadig gælder, den underliggende ændring i impulsernes hastighed er ikke længere anvendelig for de nye laserstråler, siger Abouraddy. Disse evner er i modstrid med Fermats princip, der siger, at lys altid rejser sådan, at det tager den korteste vej, han siger.

"Hvad vi finder her, selvom, er uanset hvor forskellige materialerne er, som lyset passerer igennem, der eksisterer altid en af ​​vores rumtidsbølgepakker, der kan krydse grænsefladen mellem de to materialer uden at ændre dens hastighed, " siger Abouraddy. "Så, uanset hvad mediets egenskaber er, det vil gå på tværs af grænsefladen og fortsætte, som om det ikke er der."

Til kommunikation, dette betyder, at hastigheden af ​​en besked, der rejser i disse pakker, ikke længere påvirkes af, at den rejser gennem forskellige materialer med forskellig tæthed.

"Hvis du tænker på et fly, der prøver at kommunikere med to ubåde i samme dybde, men den ene er langt væk, og den anden er tæt på, den, der er længere væk, vil pådrage sig en længere forsinkelse end den, der er tæt på, " siger Abouraddy. "Vi oplever, at vi kan sørge for, at vores pulser forplanter sig sådan, at de ankommer til de to ubåde på samme tid. Faktisk, nu behøver personen, der sender pulsen, ikke engang at vide, hvor ubåden er, så længe de er i samme dybde. Alle de ubåde vil modtage pulsen på samme tid, så du blindt kan synkronisere dem uden at vide, hvor de er."

Abouraddys forskerhold skabte rumtidsbølgepakkerne ved at bruge en enhed kendt som en rumlig lysmodulator til at omorganisere energien af ​​en lysimpuls, så dens egenskaber i rum og tid ikke længere er adskilte. Dette giver dem mulighed for at kontrollere "gruppehastigheden" af lysimpulsen, hvilket er nogenlunde den hastighed, hvormed toppen af ​​pulsen bevæger sig.

Tidligere arbejde har vist holdets evne til at kontrollere gruppehastigheden af ​​rumtidsbølgepakkerne, herunder i optiske materialer. Den nuværende undersøgelse byggede på dette arbejde ved at finde ud af, at de også kunne kontrollere rumtidsbølgepakkernes hastighed gennem forskellige medier. Dette modsiger ikke den særlige relativitetsteori på nogen måde, fordi det gælder for udbredelsen af ​​pulstoppen frem for lysbølgens underliggende svingninger.

"Dette nye felt, som vi udvikler, er et nyt koncept for lysstråler, " siger Abouraddy. "Som et resultat, alt, hvad vi ser på ved hjælp af disse bjælker, afslører ny adfærd. Al den adfærd, vi kender til lys, tager virkelig stiltiende en underliggende formodning om, at dets egenskaber i rum og tid kan adskilles. Så, alt hvad vi ved inden for optik er baseret på det. Det er en indbygget antagelse. Det anses for at være den naturlige tilstand. Men nu, bryde den underliggende antagelse, vi begynder at se ny adfærd overalt."

Medforfattere til undersøgelsen var Basanta Bhaduri, hovedforfatter og tidligere forsker ved UCF's College of Optics and Photonics, nu med Bruker Nano Surfaces i Californien, og Murat Yessenov, en ph.d.-kandidat i højskolen.

Bhaduri blev interesseret i Abouraddys forskning efter at have læst om det i tidsskrifter, såsom Optik Express og Natur fotonik , og sluttede sig til professorens forskerhold i 2018. Til undersøgelsen han var med til at udvikle konceptet og designede eksperimenterne, samt udført målinger og analyseret data.

Han siger, at undersøgelsesresultaterne er vigtige på mange måder, herunder de nye forskningsmuligheder, det åbner.

"Rum-tid brydning trodser vores forventninger afledt af Fermats princip og giver nye muligheder for at forme strømmen af ​​lys og andre bølgefænomener, " siger Bhaduri.

Yessenovs roller omfattede dataanalyse, udledninger og simuleringer. Han fortæller, at han blev interesseret i arbejdet ved at ville udforske mere om sammenfiltring, hvilket i kvantesystemer er, når to godt adskilte objekter stadig har en relation til hinanden.

"Vi tror på, at rumtidsbølgepakker har mere at tilbyde, og mange flere interessante effekter kan afsløres ved hjælp af dem, " siger Yessenov.

Abouraddy siger, at de næste skridt for forskningen inkluderer at studere interaktionen mellem disse nye laserstråler med enheder som laserhulrum og optiske fibre, ud over at anvende disse nye indsigter på stof frem for lysbølger.