Equivalente óptico de un superconductor

Como sugiere Claudio, el vacío no absorbe. Pero eso no es un material.

Puedes tener luz que viaja a través de un material sin absorción; eso sucede en óptica no lineal con transparencia autoinducida. La teoría completa detrás de eso es bastante complicada y necesitas intensidades realmente altas para eso. La imagen básica es que la parte frontal del pulso de luz es absorbida y la parte posterior del pulso estimula la emisión de todos los fotones excitados. Así, la parte de atrás pasa al frente y es absorbida y todo el ciclo se repite.

Si tal material existe y no absorbe luz a ninguna frecuencia, entonces no debe tener absolutamente ninguna actividad óptica . Esta es una consecuencia de las relaciones de Kramers-Kronig , que son restricciones muy, muy básicas sobre cómo la absorción y la dispersión en un material pueden relacionarse entre sí, y representan matemáticamente el principio físico de causalidad. (Es decir: simplemente no puedes eliminarlos).

Si$\chi(\omega)=\chi_1(\omega)+i\chi_2(\omega)$es la susceptibilidad eléctrica del material a la frecuencia angular$\omega$, después$\chi_1(\omega)$regula la dispersión y$\chi_1(\omega)$es proporcional al coeficiente de absorción. Estas dos funciones deben obedecer a la relación

$$\chi_1(\omega)=\frac{1}{\pi}\mathcal{P}\int_{-\infty}^\infty \frac{\chi_2(\omega')}{\omega'-\omega}\mathrm{d}\omega'$$ y una análoga dando$\chi_2(\omega)$en términos de$\chi_1(\omega)$. Esto significa que si$\chi_2(\omega)=0$para todos$\omega$- si el material no absorbe luz, sin importar la frecuencia - entonces$\chi_1(\omega)$también es cero y el material no tiene absolutamente ninguna dispersión. Esto es poco probable: toda la materia está hecha de componentes cargados y reaccionarán a la radiación EM hasta cierto punto (distinto de cero).

Para obtener algunas ideas muy interesantes sobre por qué la dispersión y la absorción están tan íntimamente ligadas, consulte esta respuesta ,

Causalidad y respuesta lineal en electrodinámica clásica. Alex J Yuffa y John A Scales. EUR. J. física. 33 núm. 6, 1635 (2012) ,

y

Causalidad y la Relación de Dispersión: Fundamentos Lógicos. John S. Toll. física Rev. 104 no. 6, págs. 1760-1770 (1956) .

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Dicho esto, ¡ tiene la posibilidad de tener un material no absorbente a una frecuencia fija determinada, por supuesto!

En un conductor normal, los electrones se ubican en bandas de energía, por lo que puede cambiar la energía de un electrón en una cantidad arbitrariamente pequeña. Por el contrario, en un superconductor existe una brecha de energía entre la energía del estado fundamental y la energía del primer estado excitado de los pares de electrones. Esto significa que no puede aumentar la energía de un electrón en el estado fundamental en una cantidad arbitrariamente pequeña. Tienes que suministrar una cantidad mínima de energía para excitar un electrón. Esto significa que mientras mantenga bajas las velocidades de los electrones, no pueden dispersarse por impurezas o defectos de red porque la dispersión no proporcionaría suficiente energía. Sin dispersión significa que no hay resistencia y, por lo tanto, superconductividad.

Para ser exactamente análogo, tendría que encontrar alguna forma de imponer una energía de dispersión mínima para los fotones, pero no se me ocurre ninguna forma de hacerlo. Estrictamente hablando, no puedes dispersar un fotón. Puedes interactuar con él y destruirlo, y tal vez volver a irradiar un nuevo fotón, pero los fotones no se dispersan de manera inelástica como lo hacen los electrones.

Esto es algo diferente a la situación sobre la que preguntas, pero tiene implementaciones bastante cercanas a lo que estás pensando. En lugar de tener su pulso de luz almacenado en un bucle, también puede "bloquearlo" en la materia usando un segundo haz de luz. Esta es exactamente la misma situación que en EIT , y se llama luz detenida (o, en una versión menos extrema, luz lenta ).

Esencialmente, lo que sucede es que mientras el pulso se propaga a través de una nube de átomos fríos, se acopla a su estado interno. Luego, se puede usar un segundo haz para encender y apagar esta interacción, de tal manera que si apaga el segundo rayo, la luz se traduce exacta y completamente en excitaciones atómicas. Al volver a encender el segundo haz, el pulso de luz continúa.

Para una buena referencia ver por ejemplo

Rui Zhang, Sean R. Garner y Lene Vestergaard Hau. Creación de memoria óptica coherente a largo plazo a través de interacciones no lineales controladas en condensados ​​de Bose-Einstein. física Rev. Lett. 103 , 233602 (2009). arXiv:0909.3203 [quant-ph] .

Varias personas han presentado respuestas donde el pulso se propaga durante mucho tiempo, pero no indefinidamente.

• Un pulso con transparencia autoinducida finalmente decae debido a las pérdidas por dispersión y absorción.
• Un solitón todavía se descompone eventualmente, debido a pérdidas por dispersión y absorción.
• La luz detenida todavía decae eventualmente, porque los átomos eventualmente perderán su coherencia debido a perturbaciones ambientales aleatorias.

Si eso es lo que te interesa, hay una forma mucho menos exótica y más práctica de hacerlo: la fibra óptica. Un pulso de luz pasará a través de muchos kilómetros de un cable de fibra óptica antes de decaer apreciablemente. Un bucle de fibra óptica almacenará un pulso durante un tiempo (pero no para siempre). Hay una variedad de tecnologías de compensación de dispersión si le preocupa mantener la forma del pulso con alta fidelidad. (El uso de pulsos de solitones es una de esas tecnologías, pero no la única).

Si desea que el pulso dure para siempre, debe alimentarlo con nueva energía para compensar las pérdidas. Por ejemplo, una cavidad láser mantendrá la luz en su interior para siempre, siempre y cuando mantenga encendida la bomba del láser. Lo mismo ocurre con un bucle de fibra óptica con un amplificador de fibra dopado con erbio en el bucle.

Nada de esto es en absoluto análogo a la superconductividad. Es análogo al cable de conductividad alta pero no infinita.

Un fenómeno útil y probado experimentalmente es la propagación de solitones. Arxiv , más enlaces útiles .

El punto es que se debe preparar un medio para permitir la propagación de solitones. La esencia es que puede adaptar el medio de tal manera que la dispersión de la velocidad del grupo y las no linealidades del medio den como resultado la propagación que ha descrito.

Una posible alternativa publicada recientemente:

https://www.extremetech.com/computing/162322-mit-creates-the-first-perfect-mirror

El documento actual es Observación de la luz atrapada dentro del continuo de radiación.

cita abstracta:

La capacidad de confinar la luz es importante tanto científica como tecnológicamente. Existen muchos métodos de confinamiento ligero, pero todos consiguen el confinamiento con materiales o sistemas que impiden la salida de ondas. Estos sistemas pueden ser implementados por espejos metálicos, por materiales fotónicos de banda prohibida, por medios altamente desordenados (localización de Anderson) y, para un subconjunto de ondas salientes, por simetría traslacional (reflexión interna total) o por simetría rotacional o de reflexión. Las excepciones a estos ejemplos existen sólo en las propuestas teóricas. Aquí predecimos y demostramos experimentalmente que la luz se puede confinar perfectamente en una losa dieléctrica modelada, aunque se permitan ondas salientes en el medio circundante. Técnicamente, esta es una observación de un 'valor propio incrustado', es decir, un estado ligado en un continuo de modos de radiación, que no se debe a una incompatibilidad de simetría. Tal estado ligado puede existir de manera estable en una clase general de geometrías en las que todas sus amplitudes de radiación se desvanecen simultáneamente como resultado de una interferencia destructiva. Este método para atrapar ondas electromagnéticas también es aplicable a ondas electrónicas y mecánicas.