Оптический эквивалент сверхпроводника

Как предполагает Клавдий, вакуум не поглощает. Но это не материал.

Вы можете иметь свет, который проходит через материал без поглощения; это происходит в нелинейной оптике с самоиндуцированной прозрачностью. Полная теория, стоящая за этим, довольно сложна, и для этого вам нужны действительно высокие интенсивности. Основная картина состоит в том, что передняя часть светового импульса поглощается, а задняя часть импульса стимулирует испускание всех возбужденных фотонов. Таким образом, задняя часть попадает на переднюю и впитывается, и весь цикл повторяется.

Если такой материал существует и не поглощает свет ни на какой частоте, то он не должен обладать абсолютно никакой оптической активностью . Это следствие соотношений Крамерса-Кронига , которые являются очень, очень основными ограничениями на то, как поглощение и рассеивание в материале могут быть связаны друг с другом, и математически представляют физический принцип причинности. (То есть: вы просто не можете покончить с ними.)

Если$\chi(\omega)=\chi_1(\omega)+i\chi_2(\omega)$- электрическая восприимчивость материала при угловой частоте$\omega$, тогда$\chi_1(\omega)$регулирует дисперсию и$\chi_1(\omega)$пропорциональна коэффициенту поглощения. Эти две функции должны подчиняться соотношению

$$\chi_1(\omega)=\frac{1}{\pi}\mathcal{P}\int_{-\infty}^\infty \frac{\chi_2(\omega')}{\omega'-\omega}\mathrm{d}\omega'$$ и аналогичный, дающий$\chi_2(\omega)$с точки зрения$\chi_1(\omega)$. Это означает, что если$\chi_2(\omega)=0$для всех$\omega$- если материал не поглощает свет, независимо от частоты - тогда$\chi_1(\omega)$также равна нулю, и материал абсолютно не имеет дисперсии. Это маловероятно: вся материя состоит из заряженных составляющих, и они будут реагировать на ЭМ-излучение в некоторой (отличной от нуля) степени.

Для некоторых очень хороших идей о том, почему дисперсия и поглощение так тесно связаны, см. этот ответ ,

Причинность и линейный отклик в классической электродинамике. Алекс Дж. Юффа и Джон А. Скейлс. Евро. Дж. Физ. 33 нет. 6, 1635 (2012) ,

а также

Причинность и отношение дисперсии: логические основы. Джон С. Толл. физ. 104 нет . 6, стр. 1760-1770 (1956) .

---

Тем не менее, у вас есть шанс получить непоглощающий материал на заданной фиксированной частоте, конечно!

В обычном проводнике электроны располагаются в энергетических зонах, поэтому вы можете изменить энергию электрона на сколь угодно малую величину. Напротив, в сверхпроводнике существует энергетический зазор между энергией основного состояния и энергией первого возбужденного состояния электронных пар. Это означает, что вы не можете увеличить энергию электрона в основном состоянии на сколь угодно малую величину. Вы должны предоставить минимальное количество энергии, чтобы возбудить электрон. Это означает, что пока вы поддерживаете низкую скорость электронов, они не могут быть рассеяны примесями или дефектами решетки, потому что рассеяние не дает достаточно энергии. Отсутствие рассеяния означает отсутствие сопротивления и, следовательно, сверхпроводимости.

Чтобы быть точно аналогичным, вам нужно найти какой-то способ ввести минимальную энергию рассеяния для фотонов, но я не могу придумать, как это сделать. Строго говоря, вы не можете рассеять фотон. Вы можете взаимодействовать с ним и уничтожить его, а может быть, и переизлучить новый фотон, но фотоны не рассеиваются неупруго, как электроны.

Это несколько отличается от ситуации, о которой вы спрашиваете, но имеет реализацию, очень близкую к тому, что вы думаете. Вместо того, чтобы хранить свой световой импульс в петле, вы также можете «зафиксировать его» в материи, используя второй световой луч. Это точно такая же ситуация, как и в EIT , и называется она остановленным светом (или, в менее экстремальном варианте, медленным светом ).

По сути, происходит то, что пока импульс распространяется через облако холодных атомов, он взаимодействует с их внутренним состоянием. Затем можно использовать второй луч, чтобы включать и выключать это взаимодействие таким образом, что если вы выключите второй луч, свет точно и полностью преобразуется в атомные возбуждения. Повторное включение второго луча позволяет световому импульсу продолжаться.

Для хорошей справки см., например,

Руи Чжан, Шон Р. Гарнер и Лене Вестергаард Хау. Создание долговременной когерентной оптической памяти посредством управляемых нелинейных взаимодействий в конденсатах Бозе-Эйнштейна. физ. Преподобный Летт. 103 , 233602 (2009). arXiv:0909.3203 [квант-ф] .

Несколько человек выдвинули ответы, где импульс распространяется в течение длительного времени, но не бесконечно.

• Импульс с самоиндуцированной прозрачностью все же в конечном итоге затухает из-за потерь на рассеяние и поглощение.
• Солитон все же в конечном итоге распадается из-за потерь на рассеяние и поглощение.
• Остановившийся свет все же в конечном итоге затухает, потому что атомы в конечном итоге теряют свою когерентность из-за случайных возмущений окружающей среды.

Если это то, что вас интересует, есть гораздо менее экзотический и более практичный способ сделать это: волоконная оптика. Световой импульс пройдет через многокилометровый оптоволоконный кабель, прежде чем заметно затухнет. Петля оптоволокна будет хранить импульс некоторое время (но не навсегда). Существует множество технологий компенсации дисперсии, если вы беспокоитесь о сохранении формы импульса с высокой точностью. (Использование солитонных импульсов — одна из таких технологий, но не единственная.)

Если вы хотите, чтобы импульс длился вечно, вам нужно подпитать его новой энергией, чтобы компенсировать потери. Например, резонатор лазера будет поддерживать свет внутри себя вечно, пока вы держите включенной накачку лазера. То же самое можно сказать о петле из оптоволокна с волоконным усилителем, легированным эрбием, в петле.

Ничто из этого не является аналогом сверхпроводимости. Это аналог провода с высокой, но не бесконечной проводимостью.

Полезным и экспериментально доказанным явлением является распространение солитонов. Arxiv , больше полезных ссылок .

Дело в том, что среда должна быть подготовлена ​​для распространения солитонов. Суть в том, что вы можете настроить среду таким образом, чтобы дисперсия групповой скорости и нелинейность среды приводили к описанному вами распространению.

Возможная альтернатива, недавно опубликованная:

https://www.extremetech.com/computing/162322-mit-creates-the-first-perfect-mirror

Настоящая статья называется «Наблюдение за захваченным светом в континууме излучения».

абстрактная цитата:

Способность ограничивать свет важна как с научной, так и с технологической точки зрения. Существует множество методов удержания света, но все они обеспечивают удержание с помощью материалов или систем, препятствующих исходящим волнам. Эти системы могут быть реализованы с помощью металлических зеркал, материалов с фотонной запрещенной зоной, сильно неупорядоченных сред (локализация Андерсона) и, для подмножества уходящих волн, с помощью трансляционной симметрии (полное внутреннее отражение) или вращательной или отражательной симметрии. Исключения из этих примеров существуют только в теоретических предложениях. Здесь мы предсказываем и экспериментально показываем, что свет может быть идеально локализован в узорчатой ​​диэлектрической пластине, даже если исходящие волны разрешены в окружающей среде. Технически это наблюдение за «встроенным собственным значением», а именно: связанное состояние в континууме мод излучения - это не из-за несовместимости симметрии. Такое связанное состояние может устойчиво существовать в общем классе геометрий, в которых все его амплитуды излучения одновременно обращаются в нуль в результате деструктивной интерференции. Этот метод улавливания электромагнитных волн также применим к электронным и механическим волнам.