Optisches Äquivalent eines Supraleiters

Wie Claudius vorschlägt, absorbiert Vakuum nicht. Aber das ist kein Stoff.

Sie können Licht haben, das ohne Absorption durch ein Material wandert; das passiert in der nichtlinearen Optik mit selbstinduzierter Transparenz. Die ganze Theorie dahinter ist ziemlich kompliziert und dafür braucht man wirklich hohe Intensitäten. Das grundlegende Bild ist, dass die Vorderseite des Lichtpulses absorbiert wird und die Rückseite des Pulses die Emission aller angeregten Photonen stimuliert. So kommt der Rücken nach vorne und wird absorbiert und der ganze Zyklus wiederholt sich.

Wenn ein solches Material existiert und es bei keiner Frequenz Licht absorbiert, dann darf es absolut keine optische Aktivität haben . Dies ist eine Folge der Kramers-Kronig-Beziehungen , die sehr, sehr grundlegende Beschränkungen dafür sind, wie Absorption und Dispersion in einem Material zueinander in Beziehung gesetzt werden können, und die mathematisch das physikalische Prinzip der Kausalität darstellen. (Das heißt: Sie können sie einfach nicht beseitigen.)

Wenn$\chi(\omega)=\chi_1(\omega)+i\chi_2(\omega)$ist die elektrische Suszeptibilität des Materials bei Kreisfrequenz$\omega$, dann$\chi_1(\omega)$reguliert die Streuung und$\chi_1(\omega)$ist proportional zum Absorptionskoeffizienten. Diese beiden Funktionen müssen der Relation gehorchen

$$\chi_1(\omega)=\frac{1}{\pi}\mathcal{P}\int_{-\infty}^\infty \frac{\chi_2(\omega')}{\omega'-\omega}\mathrm{d}\omega'$$ und ein analoges Geben$\chi_2(\omega)$bezüglich$\chi_1(\omega)$. Das bedeutet, wenn$\chi_2(\omega)=0$für alle$\omega$- wenn das Material kein Licht absorbiert, egal bei welcher Frequenz - dann$\chi_1(\omega)$ebenfalls Null ist und das Material absolut keine Dispersion aufweist. Dies ist unwahrscheinlich: Alle Materie besteht aus geladenen Bestandteilen und sie reagieren in gewissem Maße (ungleich Null) auf EM-Strahlung.

Für einige sehr schöne Einblicke, warum Dispersion und Absorption so eng miteinander verbunden sind, siehe diese Antwort .

Kausalität und lineare Reaktion in der klassischen Elektrodynamik. Alex J Yuffa und John A Scales. EUR. J. Phys. 33 nr. 6, 1635 (2012) ,

und

Kausalität und die Dispersionsbeziehung: Logische Grundlagen. John S. Maut. Phys. Rev. 104 No. 6, S. 1760–1770 (1956) .

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Das heißt, Sie haben natürlich die Chance, ein nicht absorbierendes Material bei einer bestimmten, festen Frequenz zu haben!

In einem normalen Leiter sitzen die Elektronen in Energiebändern, sodass Sie die Energie eines Elektrons um einen beliebig kleinen Betrag ändern können. Im Gegensatz dazu gibt es in einem Supraleiter eine Energielücke zwischen der Grundzustandsenergie und der ersten angeregten Zustandsenergie der Elektronenpaare. Das heißt, man kann die Energie eines Elektrons im Grundzustand nicht beliebig klein anheben. Um ein Elektron anzuregen, muss man eine Mindestenergiemenge aufbringen. Das heißt, solange man die Elektronengeschwindigkeiten niedrig hält, können sie nicht an Verunreinigungen oder Gitterfehlern gestreut werden, weil die Streuung nicht genug Energie liefern würde. Keine Streuung bedeutet keinen Widerstand und damit Supraleitung.

Um genau analog zu sein, müssten Sie einen Weg finden, Photonen eine minimale Streuenergie aufzuerlegen, aber mir fällt keine Möglichkeit ein, dies zu tun. Genau genommen kann man ein Photon nicht streuen. Sie können damit interagieren und es zerstören und vielleicht ein neues Photon ausstrahlen, aber Photonen streuen nicht unelastisch wie Elektronen.

Dies unterscheidet sich etwas von der Situation, nach der Sie fragen, aber es hat Implementierungen, die dem, was Sie denken, ziemlich nahe kommen. Anstatt Ihren Lichtpuls in einer Schleife speichern zu lassen, können Sie ihn auch mit einem zweiten Lichtstrahl in Materie „einsperren“. Dies ist genau die gleiche Situation wie bei EIT und wird Stop Light (oder in einer weniger extremen Version Slow Light ) genannt.

Im Wesentlichen geschieht Folgendes: Während sich der Puls durch eine Wolke kalter Atome ausbreitet, koppelt er an deren inneren Zustand. Ein zweiter Strahl kann dann verwendet werden, um diese Wechselwirkung ein- und auszuschalten, so dass, wenn Sie den zweiten Strahl ausschalten, das Licht genau und vollständig in atomare Anregungen übersetzt wird. Das Wiedereinschalten des zweiten Strahls ermöglicht die Fortsetzung des Lichtimpulses.

Eine gute Referenz finden Sie z

Rui Zhang, Sean R. Garner und Lene Vestergaard Hau. Erzeugung eines kohärenten optischen Langzeitspeichers durch kontrollierte nichtlineare Wechselwirkungen in Bose-Einstein-Kondensaten. Phys. Rev. Lett. 103 , 233602 (2009). arXiv:0909.3203 [quant-ph] .

Mehrere Leute haben Antworten vorgebracht, bei denen sich der Puls lange ausbreitet, aber nicht unbegrenzt.

• Ein Impuls mit selbstinduzierter Transparenz zerfällt dennoch schließlich aufgrund von Streuung und Absorptionsverlusten.
• Ein Soliton zerfällt dennoch schließlich aufgrund von Streu- und Absorptionsverlusten.
• Gestopptes Licht zerfällt schließlich immer noch, weil die Atome aufgrund zufälliger Umweltstörungen schließlich ihre Kohärenz verlieren.

Wenn Sie daran interessiert sind, gibt es einen viel weniger exotischen und praktischeren Weg, dies zu tun: Glasfaser. Ein Lichtimpuls durchläuft viele Kilometer eines Glasfaserkabels, bevor er merklich abklingt. Eine Glasfaserschleife speichert einen Impuls für eine Weile (aber nicht für immer). Es gibt eine Vielzahl von Dispersionskompensationstechnologien, wenn Sie sich Sorgen machen, die Form des Pulses mit hoher Wiedergabetreue beizubehalten. (Die Verwendung von Soliton-Impulsen ist eine solche Technologie, aber nicht die einzige.)

Wenn Sie möchten, dass der Puls ewig hält, müssen Sie ihm neue Energie zuführen, um die Verluste auszugleichen. Beispielsweise behält ein Laserhohlraum das Licht für immer darin, solange Sie die Pumpe des Lasers eingeschaltet lassen. Dito eine Glasfaserschleife mit einem Erbium-dotierten Faserverstärker in der Schleife.

Nichts davon ist überhaupt analog zur Supraleitung. Es ist analog zu Draht mit hoher, aber nicht unendlicher Leitfähigkeit.

Ein nützliches und experimentell nachgewiesenes Phänomen ist die Ausbreitung von Solitonen. Arxiv , weitere nützliche Links .

Der Punkt ist, dass ein Medium vorbereitet werden muss, um die Ausbreitung von Solitonen zu ermöglichen. Das Wesentliche ist, dass Sie das Medium so anpassen können, dass die Streuung der Gruppengeschwindigkeit und die Nichtlinearitäten des Mediums zu der von Ihnen beschriebenen Ausbreitung führen.

Eine mögliche Alternative, die kürzlich veröffentlicht wurde:

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

Das eigentliche Papier ist die Beobachtung von eingeschlossenem Licht innerhalb des Strahlungskontinuums

abstraktes Zitat:

Die Fähigkeit, Licht einzuschließen, ist sowohl wissenschaftlich als auch technologisch wichtig. Es gibt viele Lichteinschlussmethoden, aber alle erreichen einen Einschluss mit Materialien oder Systemen, die ausgehende Wellen verbieten. Diese Systeme können durch metallische Spiegel, durch Materialien mit photonischer Bandlücke, durch stark ungeordnete Medien (Anderson-Lokalisierung) und für eine Teilmenge ausgehender Wellen durch Translationssymmetrie (Totalreflexion) oder durch Rotations- oder Reflexionssymmetrie implementiert werden. Ausnahmen von diesen Beispielen gibt es nur in theoretischen Vorschlägen. Hier sagen wir voraus und zeigen experimentell, dass Licht perfekt in einer gemusterten dielektrischen Platte eingeschlossen werden kann, obwohl ausgehende Wellen im umgebenden Medium zugelassen sind. Technisch gesehen ist dies eine Beobachtung eines „eingebetteten Eigenwerts“ – nämlich ein gebundener Zustand in einem Kontinuum von Strahlungsmoden – das liegt nicht an Symmetrie-Inkompatibilität. Ein derartiger gebundener Zustand kann in einer allgemeinen Klasse von Geometrien stabil existieren, in denen alle seine Strahlungsamplituden gleichzeitig als Folge einer destruktiven Interferenz verschwinden. Dieses Verfahren zum Einfangen elektromagnetischer Wellen ist auch auf elektronische und mechanische Wellen anwendbar