Группа физиков из Университета Глазго (Шотландия) и Рочестерского университета (США) нашла способ наглядной демонстрации эффекта «увлечения» фотонов.

Эффект, который был рассмотрен Френелем ещё в 1818 году, наблюдается при распространении света в движущейся среде. Кванты света могут поглощаться атомами, которые переходят в новое энергетическое состояние, а затем, чуть изменив своё положение, возвращаются в исходное состояние и сами излучают фотоны. Это приводит к «увлечению» света в направлении движения среды, впервые зарегистрированному в 1859-м французским учёным Ипполитом Физо. В своих опытах Физо использовал воду, текущую вдоль путей распространения излучения в интерферометре, для создания фазового сдвига. Через сто с лишним лет британец Реджинальд Джонс зафиксировал аналогичное явление — поперечное смещение пучка, направленного на край вращающегося стеклянного диска.

Новый вариант опытной схемы позволяет наблюдать уже не смещение пучка, а поворот примитивного изображения на легко различимый угол, измеряемый единицами градусов. Чтобы сделать этот угол максимально большим, авторы подобрали среду, сильно снижающую групповую скорость распространения света; давно известно, что такими свойствами обладает, к примеру, рубин, который и был задействован в эксперименте.

Коллимированный лазерный пучок с эллиптическим сечением физики пропускали вдоль оси вращения 100-миллиметрового рубинового стержня, который мог совершать до 30 оборотов в секунду. Лазер работал на длине волны в 532 нм, что соответствует зелёному цвету. После прохождения через стержень сечение пучка приобретало вид одиночной линии, а её положение легко контролировалось с помощью ПЗС-камеры.

Рис. 1. Положение линии лазерного излучения при вращении стержня по часовой стрелке (слева) и в обратном направлении. В верхней и нижней частях обоих изображений можно заметить излучение, которое распространялось вне стержня и не «увлекалось» им. (Иллюстрация из журнала Science).

Как выяснилось, при вращении стержня с частотой в 30 Гц линия отклоняется от того положения, которое она занимала бы в опыте с неподвижным рубиновым образцом, сразу на 5 градусов. Когда направление вращения изменяли на противоположное, линия отклонялась в другую сторону, и заметить десятиградусное смещение было совсем просто.

«В ближайшем будущем мы попробуем передать более сложное изображение», — делится планами участник исследования Майлз Пэджетт (Miles Padgett).

Полная версия отчёта опубликована в статье:

Sonja Franke-Arnold, Graham Gibson, Robert W. Boyd, Miles J. Padgett Rotary Photon Drag Enhanced by a Slow-Light Medium. – Science. – 1 July 2011: Vol. 333. – no. 6038. – pp. 65–67; DOI: 10.1126/science.1203984.