Физики из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре впервые экспериментально подтвердили предсказание о сжатии волн в быстро меняющейся оптической полости. Вместо света исследователи использовали ультрахолодные атомы, а движущиеся лазерные «зеркала» позволили воспроизвести поведение, математически похожее на движение света у горизонта чёрной или белой дыры. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Аналог горизонта событий
Оптическая полость обычно состоит из двух зеркал, между которыми многократно отражается свет. Расстояние между зеркалами определяет, какие длины волн могут в ней существовать, поэтому такая система выделяет стабильные частоты. Теория предсказывает, что если одно из зеркал периодически двигать с частотой, соответствующей времени пролёта света между зеркалами, волны начнут стекаться в короткий интенсивный импульс.
Непосредственно проверить это предсказание с помощью света практически невозможно: зеркало пришлось бы многократно разгонять до значительной доли скорости света за миллиардные доли секунды. Поэтому команда Дэвида Уэлда заменила свет атомами лития. При температурах, близких к абсолютному нулю, атомы ведут себя как волны и могут быть заперты в оптической решётке.
Движущиеся лазерные «зеркала»
Атомы поместили между двумя листами лазерного света, которые играли роль невесомых зеркал. Один из листов двигали туда и обратно примерно 100 раз в секунду. Скорость атомных волн была почти постоянной, но составляла менее 1 м/с — это позволило воспроизвести нужную динамику без экстремальных скоростей настоящих зеркал.
Через несколько циклов исходное размытое облако атомов превратилось в компактный пакет, движущийся по повторяющейся траектории. Пакеты, стартовавшие из разных мест, удалялись от неустойчивой траектории и сходились к одной устойчивой. Такое однонаправленное движение соответствует математической картине, напоминающей горизонты чёрной и гипотетической белой дыр.
При удвоении частоты движения лазерного листа учёные получили уже два концентрированных пакета, каждый со своей траекторией. Резкое изменение момента движения листа позволило поменять устойчивую и неустойчивую траектории местами и развернуть движение пакетов. Исследователи также обнаружили небольшие отклонения от идеальной модели, связав их с тем, что скорость атомов не настолько постоянна, как скорость света.
В дальнейшем команда рассчитывает использовать этот эффект для сжатия и растяжения оптических сигналов. По мнению исследователей, аналогичную динамику можно будет создавать в твёрдых материалах с электрически настраиваемыми оптическими свойствами — без механически движущихся зеркал. Эксперимент также может помочь изучать другие предсказания, включая появление пар световых частиц между быстро движущимися зеркалами.
