Fotonikiteet taivuttavat valoa aivan kuin painovoima

Ryhmä tutkijoita on manipuloinut valon käyttäytymistä ikään kuin se olisi painovoiman vaikutuksen alaisena.

Löydöksillä on kauaskantoisia vaikutuksia optiikan ja materiaalitieteen maailmaan ja niillä on merkitystä 6G-viestinnän kehitykselle.

Albert Einsteinin suhteellisuusteoria on osoittanut, että sähkömagneettisten aaltojen - mukaan lukien valon ja terahertsin sähkömagneettiset aallot - liikerataa voidaan kääntää gravitaatiokentillä. Tiedemiehet ovat äskettäin teoreettisesti ennustaneet, että painovoiman vaikutusten - eli pseudogravitaatio - matkiminen on mahdollista muuttamalla kiteitä alemman normalisoidun energian (tai taajuuden) alueella.

"Päädyimme tutkimaan, voisiko fotonikiteiden hilavääristymä tuottaa pseudogravitaatiovaikutuksia", sanoo professori Kyoko Kitamura Tohokun yliopiston Graduate School of Engineeringistä.

Kitamura ja hänen kollegansa modifioivat fotonikiteitä ottamalla käyttöön hilavääristymän: elementtien säännöllisen etäisyyden asteittaista muodonmuutosta, mikä muutti fotonisten kiteiden ruudukkomaista kuviota.

Tämä manipuloi kiteiden fotonivyöhykerakennetta, mikä johti aineessa kaarevaan säteen liikerataan - aivan kuten valonsäde, joka kulkee massiivisen taivaankappaleen, kuten mustan aukon, ohi.

"Paljolti samoin kuin painovoima taivuttaa esineiden liikerataa, keksimme keinon taivuttaa valoa tiettyjen materiaalien sisällä", Kitamura lisää. "Tällaista tasossa olevaa säteen ohjausta terahertsialueella voitaisiin hyödyntää 6G-viestinnässä.

Tampereen ja Itä-Suomen yliopiston tutkijat ovat saavuttaneet virstanpylvään tutkimuksessaan, jossa he ovat johtaneet uudenlaisen aaltoyhtälön, joka soveltuu aaltojen kiihtyvyyteen.

Tutkijat osoittivat, että kiihtyvien aaltojen kannalta ajan suunta on vanha tuttu "ajan nuoli" ja aallon näkökulmasta sen liikemäärälle ei tapahdu mitään eli sen vauhti säilyy entisellään, toteaa Koivurova.

Uusi lähestymistapa vastaa standardiformulaatiota useimmissa ongelmissa, mutta sillä on tärkeä laajennus: ajassa vaihtelevat materiaalit. Ajassa vaihtelevan median sisällä oleva valo kokee äkillisiä ja tasaisia muutoksia materiaalin ominaisuuksissa.

Tämä aiheuttaa kuitenkin tutkimusongelman: vaikka sähkömagneettiset aallot kokevat selvästi pitkittäiskiihtyvyyttä, tällaiset kiihtyvät aallot eivät ole ratkaisuja standardiaaltoyhtälöön, vaikka ne ovat ratkaisuja Maxwellin yhtälöihin.

Työssään tutkivat selvittivät vaihtelevan nopeuden vaikutuksia aallon etenemiseen ja johtivat siitä yleisen aaltoyhtälön kyseiselle tapaukselle.

Työssään he keskittyivät muun muassa sähkömagneettisten aaltojen erikoistapaukseen ja osoittivat, että sähkömagneettinen aalto, jolla on vaihteleva nopeus, kokee relativistisia vaikutuksia. Lisäksi, kun aalto liikkuu geodeettista tietä pitkin, sen energia ja liikemäärä säilyvät. Tällä on tärkeitä vaikutuksia yhteen fotoniikan pisimpään kestäneistä väittelyistä.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttimittausmenetelmä kasvihuonekaasuille

Aivomme hyödyntävät kvanttilaskentaa

Kaksiulotteisilla kohti vähäkulutuksista elektroniikkaa