Группа исследователей из университета Миннесоты, возглавляемая профессором Мо Ли (Mo Li), создала первое в истории науки наноразмерное устройство, которое выполняет функцию перемещения фотонов света за счет колебательного механического движения. Применение подобных устройств, согласно исследователям, позволит разработать и создать более быстрые, более эффективные оптические и квантовые вычислительные и коммуникационные системы.

Микроскопическое устройство, размеры которого составляю 50 на 0.7 микрометра, представляет собой «фотонные качели», при помощи которых можно захватить, измерить характеристики и переместить фотоны света. На каждой стороне коромысла этих «качелей» изготовлены кристаллические фотонные впадины, которые выступают в роли ловушек фотонов, прибывающих от внешнего источника света.

Несмотря на то, что масса покоя фотонов равна нулю, захваченные в ловушки фотоны за счет своей энергии оказывают воздействие «оптическим давлением», заставляя перемещаться механизм качелей.

Этот эффект используется для сравнения параметров фотонов, захваченных ловушками, находящимися на разных плечах качелей. Фотоны с разной длиной волны и энергией оказывают разное воздействие на механизм, который начинает колебаться или занимает определенное стабильное положение в пространстве. За счет малой массы коромысла качелей их механизм обладает крайне высокой чувствительностью и он способен измерить воздействие, оказываемое одним единственным фотоном.

Кроме измерения параметров фотонов механические нанокачели могут использоваться для физического перемещения фотонов света.

«Когда мы заполнили впадины с одной стороны качелей фотонами, оставив впадины на другой стороне пустыми, сила, производимая фотонами, заставила механизм качелей колебаться. Когда амплитуда колебаний стала достаточно велика, фотоны смогли "перетечь» из заполненных впадин с одной стороны в пустые впадины на другой стороне качелей. И этот процесс мог продолжаться циклично в теории до бесконечности, а на практике – до рассеивания всех фотонов до последнего_ рассказывает профессор Ли, – «Мы назвали это явление перемещением фотонов при помощи механической транспортной системы».

Чем большую амплитуду имели колебания коромысла качелей, тем большее количество фотонов перемещалось с одной стороны на другую. Максимальное количество фотонов, перемещенных за один цикл колебаний, составило около одной тысячи.

Но конечной целью исследователей является осуществление перемещения за один цикл одного единственного фотона, что позволит ученым обрабатывать и передавать квантовую информацию, содержащуюся в фотоне.

Подобные механические устройства, осуществляющие перемещение фотонов, могут быть использованы в качестве высокочувствительных датчиков, позволяющих измерить ускорение, скорость и пространственное положение, что в свою очередь, можно использовать в построении систем инерциальной навигации. А в ближайшем времени ученые собираются изготовить новые фотонные качели, на которых будет располагаться большее количество фотонных ловушек и при помощи которых можно будет перемещать фотоны на большее расстояние, с большей скоростью и частотой.