Схематическое изображение виртуального поглощения. Плоская прозрачная диэлектрическая пластина освещена с обеих сторон волнами с увеличивающейся амплитудой.

Можно ли заставить прозрачный материал не пропускать свет? Теоретически – да.

Поглощение электромагнитного излучения, в том числе света, непрозрачными материалами происходит из-за превращения внутри них электромагнитной энергии в тепло или другие виды энергии. Уголь и чёрная краска выглядят чёрными именно потому, что в этих материалах энергия падающего света практически полностью поглощается. Другие же материалы, такие как стекло или кварц, не поглощают свет и потому выглядят прозрачными.

Физики из МФТИ, ИТМО (Санкт-Петербург) и Техасского университета (США) теоретически обнаружили крайне необычный оптический эффект: при определенных условиях материал, который не обладает поглощением, должен поглощать свет. Статья об этом опубликована в журнале «Optica».

Современная электродинамика позволяет математически описать процесс прохождения света через прозрачный материал. При этом по заданному входящему электромагнитному полю (падающему излучению) теоретики рассчитывают выходное рассеянное поле. Исследуя теоретически прохождение света с различными характеристиками через прозрачный материал, авторы работы обнаружили эффект, который по их собственному признанию, стал для них неожиданным.

Эффект виртуального поглощения. Красный пунктир — амплитуда падающей волны в зависимости от времени, а сплошная зеленая линия —рассеянного сигнала. До момента времени t = 0, когда падающая волна выключатся, рассеянный сигнал отсутствует, вся энергия падающей волны «запирается» в слое прозрачного материала.

Если особым образом менять во времени интенсивность падающего света, то он перестанет полностью проходить через прозрачный материал, по крайней мере, какое-то время. Поглощения по-прежнему не будет, но энергия падающего света частично будет копиться внутри прозрачного материала, не покидая его до достижения определенного значения. В частности, если увеличивать со временем интенсивность падающего света по экспоненте (т.е. пропорционально еt), то вся энергия падающего света будет копиться внутри прозрачного материала. Снаружи при этом он будет выглядеть идеально поглощающим свет. Исследователи назвали этот эффект виртуальным поглощением. Когда же экспоненциальное нарастание амплитуды падающей волны прекращается, вся «запертая» внутри слоя энергия сразу же начинает покидать его.

Обнаруженный теоретически эффект может иметь важные практические применения для гибкого управления распространением и хранением света, создания устройств низкоэнергетической памяти и оптической модуляции. Он позволит разработать устройства оптической памяти, которые будут кратковременно без потерь хранить информацию и высвобождать её в нужный момент времени.

Кроме того, эта работа показывает, что неожиданные открытия могут быть сделаны в уже казалось бы хорошо изученных разделах физики. Как сказал один из авторов работы Денис Баранов: «Сама математика подсказала нам дорогу к этому эффекту, и неизвестно, какие ещё необычные явления скрываются за ширмой простой электродинамики».