Свет вышел из-под контроля: как учёные нарушили законы физики

Может ли свет двигаться в одну сторону быстрее, чем в другую — в одной и той же среде? Оказалось, да! Это кажется противоречащим законам физики, но исследователи из Канады и Китая доказали обратное. И сделали они это, не разрушая амплитуду сигнала. Всё благодаря магическому материалу — иттрий-железному гранату.

Что вообще происходит со светом

Обычно, чтобы замедлить или ускорить свет, учёные используют квантовую интерференцию. Это позволяет влиять на групповую скорость — та, с которой движется весь световой импульс. Но этот метод работает одинаково в любом направлении. А что, если скорость в одну сторону — одна, а в другую — другая? Именно такой "невзаимный" подход и заинтересовал физиков.

Где же фокус

Ключ — в фазе света. Она показывает, насколько волна "опережает" определённую точку отсчета. Изменяя фазу, можно изменять скорость переноса информации. Но по знаменитым соотношениям Крамерса-Кронига, любое воздействие на фазу обязательно влияет и на амплитуду. Казалось бы, обойти это нельзя.

"Фундаментальный принцип, известный как соотношения Крамерса-Кронига, который, казалось бы, запрещает это, но, к удивлению, наш эксперимент показывает, что природа здесь необычайно щедра к нам", — признался руководитель исследования Цань-Мин Ху.

Гибрид света и магнетизма

Команда учёных создала гибридную систему, объединив диэлектрический резонатор и магнитную сферу из иттрий-железного граната (YIG). Эта сфера работает в магнонном режиме — то есть взаимодействует со спинами электронов. А резонатор — в фотонном.

Магнитные материалы, вроде YIG, обладают хиральностью — они "запоминают" направление, в котором прецессируют спины. Именно это свойство и позволило создать невзаимность: в одном направлении свет замедляется, а в другом — ускоряется.

Проверка и результат

Учёные направили в систему микроволновые импульсы с двух сторон и измерили скорость распространения. Разница оказалась значительной: новая технология позволяет либо задерживать, либо "ускорять" свет, в зависимости от направления.

Что дальше

Метод уже показывает высокую изоляцию сигнала и хорошую управляемость. Однако, чтобы использовать эффект в реальных технологиях — например, в квантовой связи — нужно усилить разницу параметров света. Это задача будущих исследований.

Уточнения

Магно́н - квазичастица, соответствующая элементарному возбуждению системы взаимодействующих спинов.