Манипулируя конфигурацией фотонных кристаллов, исследователи из японских университетов Тохуку и Осака сумели отклонить траекторию света так, как будто он находится под действием гравитации. Считается, что этот эффект "псевдогравитации" аналогичен воздействию черных дыр на свет и может быть использован для разработки технологий связи 6G, а также для изучения гравитонов — гипотетических частиц, которые пока не наблюдались.
Считается, что траектория света и других электромагнитных волн может отклоняться под действием гравитационного поля. В астрофизике это явление, известное как эффект гравитационного линзирования, обычно наблюдается у очень массивных космических объектов, таких как квазары и черные дыры. Ранее ученые предполагали возможность имитации этого эффекта в виде псевдогравитации, в частности, с помощью фотонных кристаллов. Фотонные кристаллы обладают уникальными свойствами, позволяющими манипулировать поведением света. Их высокоупорядоченная наноструктура вызывает периодическое изменение коэффициента преломления света, создавая радужный эффект. Следует отметить, что с помощью прозрачных материалов можно формировать траекторию электромагнитных волн, управляя их показателями преломления. Однако этот метод имеет ограничения по эффективности.
Фотонные кристаллы представляют собой искусственные структуры, в которых несколько различных материалов, обладающих различной способностью взаимодействовать со светом, периодически располагаются в виде сетки или решетки. В отличие от однородной среды, скорость распространяющейся через них волны определяется расположением этих узоров.
Исходя из этого, "мы задались целью выяснить, может ли искажение решетки в фотонных кристаллах вызвать эффект псевдогравитации", — поясняет соавтор нового исследования Киоко Китамура из университета Тохоку. В частности, этот эффект можно получить, деформируя кристаллы в области наименьшей нормированной энергии (или частоты). Другими словами, принцип основан на внесении разрыва в периодичность кристаллов. С другой стороны, адиабатические изменения (изменение объема в направлении, противоположном температуре) в структуре фотонного кристалла также могут вызывать эффект псевдогравитации. Экспериментальная установка для исследования и результаты моделирования траектории движения луча в деформированном фотонном кристалле.
Для подтверждения своей гипотезы Китамура и его коллеги исказили экспериментальную решетку фотонного кристалла, постепенно изменяя расстояние между "узлами" решетки. Это позволило манипулировать структурой фотонных полос кристаллов. Использовались фотонные кристаллы кремния с начальной постоянной решетки 200 мкм. После деформации световые волны в терагерцовом диапазоне успешно рассеивались и отклонялись. Подобно свету, испытывающему эффект гравитационного линзирования черной дыры, лучи искривлялись в центре.
"Подобно тому, как гравитация искривляет траекторию движения объектов, мы нашли способ искривления света в определенных материалах", — поясняет Китамура. Подобное манипулирование светом может помочь в разработке технологий связи 6G, которые требуют терагерцового диапазона частот для передачи информации. Для сравнения, в современных технологиях связи 5G максимальная частота составляет всего 71 гигагерц.
Кроме того, новые кристаллы позволят проводить эксперименты, которые ранее были невозможны в лабораторных условиях, например, изучение гравитонов - гипотетических элементарных частиц, которые передают гравитацию, как это предполагается в большинстве квантовых гравитационных систем. "С академической точки зрения полученные результаты показывают, что фотонные кристаллы могут использовать гравитационные эффекты, открывая новые возможности в области физики гравитонов", — заключает соавтор исследования Масаюки Фудзита (Masayuki Fujita) из Университета Осаки. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review A.