Forskare från University of Central Florida har utvecklat en ny typ av laserstråle som inte följer långvariga principer om hur ljus bryts och färdas.

Resultaten, som nyligen publicerades i Nature Photonics , kan få enorma konsekvenser för optisk kommunikation och laserteknik.

"Denna nya klass av laserstrålar har unika egenskaper som inte delas av vanliga laserstrålar, " säger Ayman Abouraddy, en professor vid UCF:s College of Optics and Photonics och studiens huvudutredare.

Bjälkarna, kända som rymdtidsvågpaket, Följ olika regler när de bryter, det är då de passerar genom olika material. I vanliga fall, ljus saktar ner när det går in i ett tätare material.

"I kontrast, rymdtidsvågpaket kan arrangeras för att bete sig på vanligt sätt, att inte ändra hastighet alls, eller till och med onormalt snabba upp i tätare material, " Abouraddy säger. "Som sådan, dessa ljuspulser kan anlända till olika punkter i rymden samtidigt."

"Tänk på hur en sked inuti ett vattenfyllt glas ser trasig ut vid den punkt där vattnet och luften möts, " Abouraddy säger. "Ljusets hastighet i luft skiljer sig från ljusets hastighet i vatten. Och så, ljusstrålarna böjer sig efter att de passerat ytan mellan luft och vatten, och så tydligen ser skeden böjd ut. Detta är ett välkänt fenomen som beskrivs av Snells lag."

Även om Snells lag fortfarande gäller, den underliggande förändringen i pulsernas hastighet är inte längre tillämplig för de nya laserstrålarna, säger Abouraddy. Dessa förmågor strider mot Fermats princip som säger att ljus alltid färdas så att det tar den kortaste vägen, han säger.

"Vad vi hittar här, fastän, är oavsett hur olika materialen är som ljus passerar igenom, det finns alltid ett av våra rymdtidsvågpaket som skulle kunna korsa gränssnittet mellan de två materialen utan att ändra dess hastighet, " säger Abouraddy. "Så, oavsett vilka egenskaper mediet har, den kommer att gå över gränssnittet och fortsätta som om den inte fanns där."

För kommunikation, detta betyder att hastigheten för ett meddelande som färdas i dessa paket inte längre påverkas av att färdas genom olika material med olika densitet.

"Om du tänker på ett plan som försöker kommunicera med två ubåtar på samma djup men den ena är långt borta och den andra i närheten, den som är längre bort kommer att få en längre fördröjning än den som är i närheten, " säger Abouraddy. "Vi finner att vi kan ordna så att våra pulser sprider sig så att de anländer till de två ubåtarna samtidigt. Faktiskt, nu behöver personen som skickar pulsen inte ens veta var ubåten är, så länge de är på samma djup. Alla dessa ubåtar kommer att ta emot pulsen samtidigt så att du blint kan synkronisera dem utan att veta var de är."

Abouraddys forskargrupp skapade rymdtidsvågpaketen genom att använda en enhet känd som en rumslig ljusmodulator för att omorganisera energin hos en ljuspuls så att dess egenskaper i rum och tid inte längre är åtskilda. Detta gör att de kan kontrollera "grupphastigheten" för ljuspulsen, vilket är ungefär den hastighet med vilken toppen av pulsen färdas.

Tidigare arbete har visat teamets förmåga att kontrollera grupphastigheten för rymdtidsvågpaketen, inklusive i optiska material. Den aktuella studien byggde på det arbetet genom att finna att de också kunde kontrollera rymdtidsvågpaketens hastighet genom olika medier. Detta motsäger inte speciell relativitet på något sätt, eftersom det gäller utbredningen av pulstoppen snarare än för ljusvågens underliggande svängningar.

"Detta nya fält som vi utvecklar är ett nytt koncept för ljusstrålar, " säger Abouraddy. "Som ett resultat, allt vi tittar på med dessa strålar avslöjar nytt beteende. Allt beteende vi känner till om ljus tar verkligen tyst en underliggande antagande om att dess egenskaper i rum och tid är separerbara. Så, allt vi vet inom optik är baserat på det. Det är ett inbyggt antagande. Det anses vara det naturliga tillståndet. Men nu, bryta det underliggande antagandet, vi börjar se nytt beteende överallt."

Medförfattare till studien var Basanta Bhaduri, huvudförfattare och en före detta forskare vid UCF:s College of Optics and Photonics, nu med Bruker Nano Surfaces i Kalifornien, och Murat Yessenov, en doktorand i högskolan.

Bhaduri blev intresserad av Abouraddys forskning efter att ha läst om den i tidskrifter, Till exempel Optik Express och Nature Photonics , och gick med i professorns forskargrupp 2018. För studien, han hjälpte till att utveckla konceptet och designade experimenten, samt genomfört mätningar och analyserat data.

Han säger att studieresultaten är viktiga på många sätt, inklusive de nya forskningsvägar det öppnar.

"Rymd-tidsbrytning motsäger våra förväntningar härledda från Fermats princip och erbjuder nya möjligheter att forma ljusflödet och andra vågfenomen, säger Bhaduri.

Yessenovs roller inkluderade dataanalys, härledningar och simuleringar. Han säger att han blev intresserad av arbetet genom att vilja utforska mer om förveckling, vilket i kvantsystem är när två väl åtskilda objekt fortfarande har en relation till varandra.

"Vi tror att rymdtidsvågpaket har mer att erbjuda och många fler intressanta effekter kan avslöjas med dem, " säger Yessenov.

Abouraddy säger att nästa steg för forskningen inkluderar att studera interaktionen mellan dessa nya laserstrålar med enheter som laserhålrum och optiska fibrer, förutom att tillämpa dessa nya insikter på materia snarare än på ljusvågor.