¿Cuál es el tiempo más largo que se ha logrado manteniendo la luz en un volumen cerrado?

¿Durante cuánto tiempo fue posible mantener la luz en un volumen cerrado con paredes espejadas?

Estaría más interesado en los resultados con volumen vacío, pero los resultados con volumen en estado sólido también pueden ser interesantes.

El año pasado recordé haber leído que los científicos pudieron atrapar la luz en un cristal durante un tiempo récord. Una búsqueda rápida dice que este período fue un minuto récord .

Respuestas (5)

La configuración que está describiendo es esencialmente una cavidad óptica , y está preguntando cuál es la vida útil más larga que se ha logrado en dicha cavidad.

En este documento (también descrito aquí ), S. Kuhr et. Alabama. describir una cavidad supraconductora con una vida útil de 130 ms. Es esencialmente 2 espejos curvos cara a cara. Funciona en microondas (51 GHz), que tiene una longitud de onda larga (6 mm), y esto facilita mucho la fabricación de espejos lisos a esta escala. Esta cavidad es uno de los elementos clave de los experimentos CQED (Electrodinámica Cuántica de Cavidades) de este laboratorio.

No sé si es el mejor, pero estoy bastante seguro de que es más o menos lo último en este campo.

Espera, ¿los 2 espejos curvos logran crear caminos estables para el rayo? Como en, dada una ligera desviación, se suavizará y permanecerá en la cavidad 1000 reflexiones más tarde. Mi intuición es que no hay ópticas que hagan eso.
Su intuición es incorrecta, casi cualquier cosa que no sea una cavidad plana-planar puede estabilizarse.
Bueno , nada más que una cavidad planar-planar, pero sí, la mayoría de las cavidades ópticas son estables. A veces, una cavidad puede diseñarse intencionalmente para que sea ligeramente inestable para algunas aplicaciones de láser de alta potencia, pero eso es poco común. Esencialmente, cualquier láser medio a granel tendrá una cavidad estable con al menos uno de los espejos curvos.
Las condiciones de estabilidad se describen aquí en.wikipedia.org/wiki/Optical_cavity#Stability y se calculan aquí en.wikipedia.org/wiki/… .
Magnífico libro sobre el tema: Láseres de Anthony Siegman.
Solo una actualización: la cavidad descrita en esta respuesta es un elemento clave de los experimentos de Serge Haroche (uno de los dos ganadores del premio Nobel de física en 2012)
¿Qué pasa con las superficies blancas? ¿Pueden aguantar la luz tanto tiempo?
@FrédéricGrosshans, ¿cómo funciona eso dado que las leyes de la física son reversibles en el tiempo?
@JanDvorak: no veo el vínculo con la reversibilidad del tiempo. ¿Puedes elaborar?
@FrédéricGrosshans, digamos que tiene un conjunto de espejos que hace que un haz de luz converja en un haz arbitrariamente estrecho. Ahora, el mismo conjunto de espejos aún debería hacer converger el haz incluso si inviertes el haz (a menos que aquí es donde me equivoco). Pero retroceder cualquier rayo de luz debería conducir a su fuente, que está fuera de la región en la que converge el rayo.
@JanDvorak: Veo dos problemas con su razonamiento 1. mantener la luz en una cavidad se trata de mantener constante el ancho del haz, no de converger o divergir. 2. Convergente = pasar de ancho a estrecho. Si inviertes el haz, va de estrecho a ancho: diverge

Mi respuesta no es muy diferente a las otras, pero está basada en mi experiencia personal. Durante varios años he estado utilizando la espectroscopia de reducción de anillo de cavidad (CRDS), el método para medir la absorción de luz muy débil que se basa en la construcción de dicha cavidad óptica y la colocación de una muestra absorbente en su interior. El pulso de luz pasará a través de la muestra miles de veces, mejorando así en gran medida su absorción. Para espejos altamente reflectantes, la fórmula dada por Colin K se puede aproximar como

τ 0 = L C ( 1 − R )
Los espejos de última generación para CRDS en el rango visible pueden tener una reflectividad de hasta el 99,999 % ( enlace ), lo que da como resultado un tiempo de caída de 167 m s por L = 0.5 metro . Durante este tiempo la luz recorre 50000 km lo que significa que se refleja 100000 veces.

PD: Este experimento se realiza en vacío (por debajo de 1 mbar). A presión atmosférica, el tiempo de decaimiento se reduce a un par de microsegundos debido a la dispersión de Rayleigh (o absorción por partículas de polvo).

La vida útil de un fotón en una cavidad resonante es bastante trivial de calcular, dada la longitud de la cavidad, las pérdidas internas y la reflectividad del espejo. Cambiando momentáneamente a una descripción de onda, dejaremos L sea ​​la longitud de la cavidad, R 1 y R 2 ser la reflectividad de los espejos 1 y 3 respectivamente, y T i Sea la pérdida en el medio de la cavidad. Claramente, la intensidad de un pulso de luz en la cavidad decaerá exponencialmente, y la vida útil τ C (definido por el 1 mi umbral) se puede calcular trivialmente como

τ C = − 2 L C en ⁡ [ R 1 R 2 ( 1 − T i ) 2 ]

Para una cavidad de un metro sin pérdida interna y espejos reflectantes del 99%, esto da una vida útil de aproximadamente 330 ns.

Hay cavidades mucho más largas, y la reflectividad de los espejos dieléctricos puede tener bastantes "9" más. Por ejemplo, la cavidad LIGO es algo del orden de un kilómetro, y si pretendemos que los espejos son 99.999% reflectantes (eso es tres "9" después del lugar decimal) 1 obtenemos una vida útil de 0.333 segundos (wow).

La vida útil aumenta rápidamente con la reflectividad del espejo una vez que supera el 99%, por lo que verá que si repite ese cálculo con R = 99.9999 % , usted obtiene τ C = 3.333 segundos. Eso es un tiempo absurdamente largo, pero, por supuesto, ese cuarto "9" después del lugar decimal también comienza a ser poco realista.

1: Esto es en gran medida una conjetura de orden de magnitud. No estoy seguro de la longitud exacta de la cavidad LIGO y, de hecho, los espejos no son muy reflectantes porque están haciendo un truco llamado "Reciclado de energía", que termina dándoles una vida útil más larga de todos modos. Sin embargo, 99.999% es un número impresionante, aunque NO poco realista para un espejo dieléctrico moderno de alta calidad.

Las cavidades iniciales del brazo LIGO tenían unos 4 km de longitud (3995 m). Las cavidades de los brazos individuales tenían espejos con transmisividades de potencia T1=3e-2 y T2=10e-6, y un tiempo de almacenamiento de aproximadamente 1/(85 Hz). La planta óptica combinada con reciclaje de energía tuvo un tiempo de almacenamiento de alrededor de 1/(3 Hz).
¿Qué pasa con los espejos perfectos? ( extremetech.com/computing/… )

La vida útil de los fotones en los interferómetros LIGO es de aproximadamente 1 s. Utilizan cavidades acopladas para que el tiempo de almacenamiento sea tan alto; los brazos de Michelson están compuestos por cavidades de Fabry-Perot y un espejo adicional en el puerto brillante de Michelson (el espejo de reciclaje de energía) forma una cavidad acoplada con ellos. La longitud de onda de la luz es de 1064 nm.

Todas estas respuestas solo se refieren al almacenamiento estadístico de fotones en una cavidad óptica. No podría, por ejemplo, seleccionar un solo fotón, almacenarlo durante algún tiempo y luego usarlo más tarde. Este es el tipo de almacenamiento que necesitaría para la computación cuántica con fotones.

Un esquema de los interferómetros Advanced LIGO http://www.bssaonline.org/content/99/2B/980/F2.large.jpg

¡Respuesta inteligente! Estoy seguro de que el OP no tiene algo como esto en mente, pero es muy interesante y, además, se ve instantáneamente como plausible: la vida útil de 1 implica una cavidad q -factor de 37500, que está dentro de las tecnologías ópticas avanzadas utilizadas en LIGO.

Esto debería ser un comentario, pero será demasiado largo.

editar: "Dije: no creo que nadie haya diseñado y realizado tal experimento, por lo que podría considerarlo un desafío y hacerlo usted mismo". Me equivoqué en eso, ya que Frederic describe un experimento.

Se pueden hacer algunas estimaciones: la reflectividad jugará un papel. Se pueden hacer espejos altamente reflectantes, pero aun así se producirá algo de absorción y la velocidad de la luz será alta. Incluso una pérdida de 10^-5 por golpe aumentará rápidamente la absorción en un segundo. La velocidad de la luz es 3*10^10cm/seg, por lo que en una caja de 10cm, son muchos hits por segundo.

Además, cada golpe al invertir la dirección del fotón transferirá algo de impulso a los átomos/la red cristalina de la superficie de la caja y, por lo tanto, habrá un aumento de longitud de onda que finalmente lo llevará al infrarrojo y la invisibilidad. Esto necesita números y cálculos, pero nuevamente, debido a la gran cantidad de aciertos por segundo, espero que el tiempo sea muy pequeño para que los fotones iniciales sean completamente absorbidos por lo que es una caja negra perfecta.

No, la transferencia de impulso no afectará nada porque si un fotón transfiere algo de impulso a la caja en una pared, obtendrá el mismo impulso cuando se refleje en la pared opuesta. El impulso total transferido a la caja será cero (a diferencia de la presión). Por la misma razón, un gas en una caja no se enfría por sí mismo.
En la espectroscopia de anillo descendente de cavidad, este principio se utiliza para mediciones de absorción altamente sensibles. El decaimiento es exponencial (por lo que no es estrictamente "atrapamiento de luz") con un tiempo característico de aproximadamente 100 m s para luz visible.
@Anixx hmm. Si lamda cambia, nu cambia y esto significa que la energía se transfiere a la caja (E = h * nu). Esto no se puede devolver desde la pared opuesta. La conservación de la energía es tan fuerte como la conservación del impulso.
@gigacyan Entonces podría responder a la pregunta, si tiene un enlace o algo así, y explicar cómo se realizó la medición.
Lambda aumenta cuando se refleja en una pared y disminuye cuando se refleja en la otra. Olvidaste que el impulso es un vector y no un valor escalar.
@Anixx y olvidas que la energía es un valor escalar. La energía que se pierde en una pared no se puede ganar en la otra.
la gente parece tener una visión extraña de la conservación de la energía, si los votos negativos están de acuerdo con Annix en que la energía del fotón no se ve afectada cuando su lamda aumenta. Me gustaría ver una justificación de eso, porque creo firmemente que la conservación de energía también se aplica a los fotones. Cuando rebota en la pared opuesta, cambiará de dirección pero perderá otro delta (E) y aumentará aún más la longitud de onda.
Hmm, ¿estás seguro de que la longitud de onda cambia? No he pensado completamente en esto, pero mi intuición me dice que la longitud de onda debería cambiar si el espejo se mueve. La amplitud de la onda cambia, pero ¿por qué su frecuencia?
anna v ¿por qué crees que la conservación de la energía significa que el fotón siempre da energía a la pared? La energía regresa al fotón cuando rebota en la pared opuesta.
@Alexander Piense en los diagramas de Feynman, algunos serán elásticos, luego la longitud de onda no cambiará, algunos serán inelásticos, luego la longitud de onda cambiará, y es la parte de absorción de 1_ .99999. en el modo de onda colectiva. Hay tantos impactos en un segundo que la longitud de onda será cada vez mayor para aquellos que corresponden a la sección transversal inelástica. Inelástico significa que la energía se pierde en el átomo/cristal/lo que sea. Eso no se puede recuperar.
anna v, por favor, da un ejemplo de cualquier sistema real en el que este efecto no se vea empequeñecido por la absorción. O edite para dejar en claro que está hablando de la pérdida de energía en las paredes, no del movimiento macroscópico de la caja.
@zephyr No. Cuando se trata de una dispersión inelástica, la energía se pierde, no es un juego de tenis. El número 1-.99999 para la absorción en la cita que hice significa que, en promedio, 1 de cada 10 ^ 5 dispersiones es inelástica, y hay otras 10 ^ 4 dispersiones por segundo.
¿Cuál es el tiempo más largo que se ha logrado manteniendo la luz en un volumen cerrado?
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