Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.

Kako usporiti svetlost - Nikola Filipović

129 views

Published on

15. godina "Odeljenja za fiziku", NNB10
30-31. mart 2018

Published in: Education
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

Kako usporiti svetlost - Nikola Filipović

  1. 1. КАКО УСПОРИТИ СВЕТЛОСТ? Н И КО Л А Ф И Л И П О В И Ћ Д Е П А Р Т М А Н З А Ф И З И К У – П М Ф Н И Ш Н А У К Н И Ј Е Б А У К 1 0 1 5 Г О Д И Н А О Д Е Љ Е Њ А З А Ф И З И К У У Н И Ш У
  2. 2. САЖЕТАК ПРЕДАВАЊА • Уводна разматрања о светлости • Нови појмови: линеарна, нелинеарна и квантна оптика • Електромагнетно индукована транспарентност и успоравање светлости • Примене успоравања светлости • Могућности бављења овом облашћу на нашем факултету
  3. 3. УВОД Ш ТА Ј Е С В Е ТЛ О С Т ? К А К О С Е С В Е ТЛ О С Т К Р Е Ћ Е И К О Ј О М Б Р З И Н О М ?
  4. 4. СВЕТЛОСТ – СВЕТСКИ РЕКОРДЕР У СВИМ ТРКАЧКИМ ДИСЦИПЛИНАМА • Електромагнетни талас (или фотон?) • 𝑐 = 299 792 458 m s ≈ 3 ∙ 108 m s • Ништа се не креће брже од светлости
  5. 5. СВЕТЛОСТ – СВЕТСКИ РЕКОРДЕР У СВИМ ТРКАЧКИМ ДИСЦИПЛИНАМА • Видљива светлост и „остатак света“
  6. 6. КАКО СЕ СВЕТЛОСТ СНАЛАЗИ У ДИСЦИПЛИНАМА СА ПРЕПОНАМА? • Одбијање светлости: 𝜃1 = 𝜃1′ • Преламање светлости: 𝑛1 sin 𝜃1 = 𝑛2 sin 𝜃2
  7. 7. КАКО СЕ СВЕТЛОСТ СНАЛАЗИ У ДИСЦИПЛИНАМА СА ПРЕПОНАМА? • Фазна брзина светлости: 𝑣 = 𝑐 𝑛 • Дисперзија: 𝑛 = 𝑛 𝜔 – Нормална 𝑑𝑛 𝑑𝜔 > 0 и аномална 𝑑𝑛 𝑑𝜔 < 0
  8. 8. КАКО СЕ СВЕТЛОСТ СНАЛАЗИ У ДИСЦИПЛИНАМА СА ПРЕПОНАМА? • Групна брзина светлости – „физичка“ брзина
  9. 9. НЕЛИНЕАРНА И КВАНТНА ОПТИКА Л И Н Е А Р Н А П Р О Т И В Н Е Л И Н Е А Р Н Е О П Т И К Е Ш ТА Ј Е К В А Н Т Н А О П Т И К А ?
  10. 10. ЛИНЕАРНЕ И НЕЛИНЕАРНЕ СРЕДИНЕ • До сада – светлост пролазила кроз линеарне средине • Линеарна оптика: 𝑃 = 𝜀0 𝜒𝐸 • Нелинеарна оптика: 𝑃 = 𝜀0 𝜒(1) 𝐸 + 𝜀0 𝜒(2) 𝐸2 + 𝜀0 𝜒(3) 𝐸3 + ⋯ = 𝜀0 𝜒 1 𝐸 + 𝑃NL
  11. 11. ЛИНЕАРНЕ И НЕЛИНЕАРНЕ СРЕДИНЕ • Таласна једначина: 𝜕2 𝐸(𝑥, 𝑡) 𝜕𝑥2 − 1 𝑣2 𝜕2 𝐸(𝑥, 𝑡) 𝜕𝑡2 = 𝜇0 𝜕2 𝑃NL(𝑥, 𝑡) 𝜕𝑡2 • Нелинеарност – много више занимљивих ефеката
  12. 12. ШТА ЈЕ ТУ КВАНТНО? • Квантна механика – проучава понашање јако малих честица • Интуитивно потпуно нелогична, коси се са здравим разумом
  13. 13. ШТА ЈЕ ТУ КВАНТНО? • Квантна оптика – квантни аспекти интеракције светлости са материјом • Зашто је битно да све буде квантно?
  14. 14. КВАНТНА МЕХАНИКА И АТОМИ • Модели атома кроз историју
  15. 15. КВАНТНА МЕХАНИКА И АТОМИ • Дискретни енергијски нивои, квантни бројеви • Дозвољени и забрањени прелази • Експериментално потврђена
  16. 16. КАКО АТОМИ АПСОРБУЈУ И ЕМИТУЈУ СВЕТЛОСТ? • Апсорпција и емисија фотона ⟶ електрон мења енергијско стање • Коначна „ширина“ нивоа ⟶ апсорпциона и дисперзиона крива • Једино квантна механика може да нам да потпуно коректан опис интеракције светлости и материје (полукласични и пун квантни приступ)
  17. 17. ЕЛЕКТРОМАГНЕТНО ИНДУКОВАНА ТРАНСПАРЕНТНОСТ К А КО М АТ Е Р И Ј А Л Е У Ч И Н И Т И П Р О З РАЧ Н И М ? Е И Т И У С П О РА В А Њ Е С В Е ТЛ О С Т И
  18. 18. ШТА ЈЕ ЕИТ? • Електромагнетно индукована транспарентност • Контролни и сондирајући ласер • Непрозрачна средина постаје прозрачна
  19. 19. ШТА ЈЕ ЕИТ? • Конфигурације нивоа у којима се јавља ЕИТ: лествичаста, Λ, V, Y,... • Јак контролни ласер – нелинеарна оптика
  20. 20. БИОГРАФИЈА ЕИТ • Клаус Болер, Атак Имамоглу и Стивен Харис (1990) – прва експериментална демонстрација на парама атома стронцијума • Примене у нелинеарној оптици, фотоници, оптоелектроници... – Мерења јако слабих магнетних поља, ласери без инверзије насељености, заробљавање и манипулација појединачним честицама, успоравање светлости
  21. 21. НА КОМ ПРИНЦИПУ „РАДИ“ ЕИТ? • ЕИТ – квантно интерферентни (атомско кохерентни) ефекат • Кохеренција, интерференција – таласна (линеарна) оптика
  22. 22. НА КОМ ПРИНЦИПУ „РАДИ“ ЕИТ? • Деструктивна интерференција различитих ексцитационих путева
  23. 23. НА КОМ ПРИНЦИПУ „РАДИ“ ЕИТ? • Друго објашњење – јак контролни ласер (електрично поље) модификује нивое |2〉 и |3〉 и долази до њиховог померања • Обучена стања
  24. 24. НА КОМ ПРИНЦИПУ „РАДИ“ ЕИТ? • Смањење апсорпције ⟷ модификација дисперзионе криве
  25. 25. КАКО ИЗ ДИСПЕРЗИОНЕ КРИВЕ „ЧИТАМО“ БРЗИНУ СВЕТЛОСТИ? • Нагиб дисперзионе криве повезан са групном брзином светлости 𝑣𝑔 = 𝑐 𝑛 + 𝜔 𝑑𝑛 𝑑𝜔 = 𝑣 1 + 𝜔 𝑛 𝑑𝑛 𝑑𝜔 • Повећање нагиба ⟷ смањење брзине • Брзину простирања сондирајућег ласера, која је у почетку била јако велика, уз присуство контролног ласера сада можемо смањити до јако малих вредности
  26. 26. КАКО ИЗ ДИСПЕРЗИОНЕ КРИВЕ „ЧИТАМО“ БРЗИНУ СВЕТЛОСТИ? • Које су те вредности? – Оптички густ врео гас рубидијума, 90 m/s – Ултрахладни гас атома натријума, 17 m/s – Паре рубидијума (1999), 8 m/s • Ербас А380: 𝑣 = 1020 km h ≈ 283 m s • Болид Формуле 1: 𝑣 = 300 km h ≈ 83 m s • Аутомобил: 𝑣 = 150 km h ≈ 42 m s • Пума: 𝑣 = 80 km h ≈ 22 m s • Усеин Болт: 𝑣 = 100 m 9,58 s = 10,44 m s • Спринтер аматер: 𝑣 = 100 m 12,5 s = 8 m s
  27. 27. КАКО ИЗ ДИСПЕРЗИОНЕ КРИВЕ „ЧИТАМО“ БРЗИНУ СВЕТЛОСТИ? • Да ли је могуће потпуно зауставити светлост? – У контексту заробљавања у некој средини на одређено време, да! • Спора светлост
  28. 28. КАКО ИЗ ДИСПЕРЗИОНЕ КРИВЕ „ЧИТАМО“ БРЗИНУ СВЕТЛОСТИ? • Пример:Ако је средина дугачка 𝑙 = 10 cm, светлост је у њој може задржати: – У вакууму – 𝑡 = 𝑙 𝑐 = 0,1 m 3∙108 m s = 𝟑𝟑𝟑 ps – У води – 𝑡 = 𝑙 𝑣 = 𝑙𝑛 𝑐 = 1,3∙0,1 m 3∙108 m s = 𝟒𝟑𝟑 ps – Кроз силицијум – 𝑡 = 𝑙 𝑣 = 𝑙𝑛 𝑐 = 3,5∙0,1 m 3∙108 m s = 𝟏, 𝟏𝟕 ns – Кроз нелинеарну средину (рубидијумов гас) – 𝑡 = 𝑙 𝑣 = 0,1 m 90 m s = 𝟏, 𝟏𝟏 𝐦𝐬 – Кроз нелинеарну средину (натријумов гас) – 𝑡 = 𝑙 𝑣 = 0,1 m 17 m s = 𝟓, 𝟖𝟖 ms – Кроз нелинеарну средину (паре рубидијума) – 𝑡 = 𝑙 𝑣 = 0,1 m 8 m s = 𝟏𝟐, 𝟓 𝐦𝐬
  29. 29. ПРИМЕНЕ УСПОРАВАЊА СВЕТЛОСТИ Ч Е М У О В О С В Е С Л У Ж И ? Ч Е М У О В О С У Т РА М О Ж Е Д А С Л У Ж И ?
  30. 30. ЧЕМУ ОВО СВЕ СЛУЖИ? • Па, пуно тога још не служи ничему! • Али – млада област у повоју, успех се тек очекује у годинама које следе • Нанотехнолохије, оптоелектроника (оптички прекидачи, оптички микроскопи, оптичке комуникације, детектори на принципу ЕИТ – остварено) • Спора светлост: атомски часовници, будући квантни рачунари
  31. 31. ВИДЕО ИГРЕ НА КВАНТНИМ РАЧУНАРИМА? • Класични против квантних рачунара • Квантни бит (кубит), суперпозиција
  32. 32. ВИДЕО ИГРЕ НА КВАНТНИМ РАЧУНАРИМА? • Паралелизација, класични и квантни регистри (квантни процесор) • Факторизација великих бројева на просте чиниоце (криптографија)
  33. 33. ВИДЕО ИГРЕ НА КВАНТНИМ РАЧУНАРИМА? • Дигитална логичка кола (класична) – транзистори • Квантна логичка кола – електрична и магнетна поља, ласери...
  34. 34. ВИДЕО ИГРЕ НА КВАНТНИМ РАЧУНАРИМА? • Практична реализација – услови и проблеми • Конкурс за избор кубита отворен – до сад се „пријавили“ суперпроводници, полупроводници, заробљени атоми/јони, фотони...
  35. 35. ВИДЕО ИГРЕ НА КВАНТНИМ РАЧУНАРИМА? • До сада – 15 = 3 x 5 • Први функционални квантни рачунар – за 10 до 15 година • Еволуција у технологији, огромна рачунарска моћ, нови криптосистеми • Видео игре ће бити ОК, али ћемо морати да мењамо шифру на Фејсу!
  36. 36. КАКО МИ ТУ МОЖЕМО ДА ПОМОГНЕМО? • Оно што ми радимо на Департману за физику тиче се ЕИТ и проучавања овог ефекта, као и потенцијалне примене • Успоравање светлости – квантне меморије • Како изгледа пулс на улазу, такав је и на излазу – информација очувана
  37. 37. ЗАКЉУЧАК Ш ТА С М О Н А У Ч И Л И ?
  38. 38. КОЈА ЈЕ ПОРУКА ПРИЧЕ? • Светлост је могуће укротити и контролисати • За то је потребна нелинеарна средина са специфичним карактеристикама • Као и светлост са специфичним карактеристикама – конкретно, најмање два ласера • ЕИТ ефекат и смањена апсорпција повлачи смањење групне брзине светлости • Светлост је могуће успорити до таквих брзина да ју је буквално могуће „претрчати“ • Ово је важно пре свега због будућих квантних рачунара и израде квантних меморија • Бављење физиком омогућава да будемо део нове индустријске револуције која само што није • Департман за физику ПМФ-а, његови наставници и студенти претендују да буду део тога
  39. 39. Х В А Л А Н А П А Ж Њ И !

×