スローライト

光学において、スローライトとは、光パルスまたは光キャリアのその他の変調が非常に低い群速度で伝搬する現象を指します。スローライトは、伝搬するパルスが、伝搬が行われる媒質との相互作用によって大幅に減速される場合に発生します。

真空中の光速cより低い群速度は1880 年頃には可能だと知られていましたが、実用的な方法で実現できたのは 1991 年、スティーブン・ハリスとその共同研究者が、閉じ込められたストロンチウム原子で電磁誘導透明化を実証した時でした。 ^{[ 1 ] [ 2 ]} 1995 年には、光速を 165 分の 1 に減速したことが報告されました。^{[ 3 ]} 1998 年、デンマークの物理学者レーネ・ヴェスターガード・ハウは、ハーバード大学とローランド科学研究所の合同チームを率いて、はるかに低い群速度の光を実現しました。彼らは、光線を毎秒約 17 メートルまで減速することに成功しました。^{[ 4 ]} 2004 年、カリフォルニア大学バークレー校の研究者は、半導体で群速度 9.6 キロメートル毎秒のスローライトを初めて実証しました。 ^{[ 5 ]}ハウとその同僚は後に光を完全に停止することに成功し、停止して後で再開できる方法を開発しました。^{[ 6 ] [ 7 ]}

2005年、IBMは比較的標準的な材料で作られた、光を遅くすることができるマイクロチップを開発し、商業的な採​​用への道を開く可能性を秘めていた。^{[ 8 ]}

光が物質中を伝播する際、真空中の光速cよりも遅くなります。これは光の位相速度の変化であり、屈折などの物理的効果として現れます。この速度の低下は、 cと位相速度の比によって定量化されます。この比は物質の屈折率と呼ばれます。スローライトとは、位相速度ではなく、群速度が劇的に低下した状態です。スローライト効果は、後述するように、異常に大きな屈折率によるものではありません。

古典物理学で説明される光の最も単純なモデルは、電磁場の波動または擾乱です。真空中では、マクスウェル方程式は、これらの擾乱が特定の速度で伝播することを予測しており、その速度は記号cで表されます。このよく知られた物理定数は、一般に光速と呼ばれています。すべての慣性系における光速の不変性という仮説は、特殊相対性理論の中核を成し、「光速は常に一定である」という一般的な認識を生み出しました。しかし、多くの場合、光は電磁場の擾乱以上のものです。

媒質中を伝わる光は、単に電磁場を乱すだけでなく、媒質中の荷電粒子（電子）の位置と速度、そして電磁場そのものを乱すものです。電子の運動は（ローレンツ力によって）電磁場によって決定されますが、電磁場は（ガウスの法則とアンペールの法則によって）電子の位置と速度によって決定されます。この電磁場と電荷密度場が合わさった乱れ（すなわち光）の挙動は、依然としてマクスウェル方程式によって決定されますが、媒質と電磁場の密接な関係性のため、その解は複雑になります。

物質中の光の挙動を理解するには、研究対象となる擾乱の種類を時間の正弦関数に限定すると簡略化されます。このような擾乱の場合、マクスウェル方程式は代数方程式に変換され、容易に解くことができます。これらの特殊な擾乱は、位相速度と呼ばれる光速cより遅い速度で物質中を伝播します。光速cと位相速度の比は、物質の屈折率( n ) と呼ばれます。屈折率は、特定の物質に対して一定ではなく、温度、圧力、および (正弦波) 光波の周波数に依存します。後者は分散を引き起こします。

人間の目は、正弦波状の擾乱の強度を光の明るさとして、周波数を色として認識します。光が特定の時間にオンまたはオフになったり、その他の方法で変調されたりすると、正弦波状の擾乱の振幅も時間に依存します。時間とともに変化する振幅は、位相速度ではなく群速度で伝播します。群速度は、物質の屈折率だけでなく、屈折率が周波数によってどのように変化するか（つまり、屈折率の周波数に関する微分）にも依存します。

スローライトとは、光の群速度が非常に低いことを指します。屈折率の分散関係が、狭い周波数範囲で屈折率が急速に変化するような場合、屈折率が依然として典型的な値（ガラスや半導体では1.5～3.5）であっても、群速度はcの数千倍または数百万倍も低くなる可能性があります。^{[ 9 ] [ 10 ]}

スローライトを生成するメカニズムは数多く存在し、いずれも分散の大きい狭いスペクトル領域、すなわち分散関係におけるピークを生み出します。これらの方式は一般的に、材料分散と導波路分散の2つのカテゴリーに分類されます。

光の速度を遅くすることは、ブロードバンドインターネットから量子コンピューティングまで、さまざまな技術分野で実用的応用が期待されています。^{[ 17 ]}

• 減速された光は、信号の歪みを低減し、信号品質を向上させることで、光通信におけるデータ伝送を改善する可能性がある。^{[ 18 ]}
• フォトニック結晶中の遅い光を利用する光スイッチは、光ファイバーケーブルでより高速なデータ伝送を実現できる一方で、消費電力を大幅に削減できる可能性がある。^{[ 19 ] [ 20 ]}
• スローライトは光ネットワークの遅延を制御するためにも使用でき、より秩序だったトラフィックフローを可能にする。^{[ 21 ]}
• さらに、スローライトは、従来の干渉計よりも周波数シフトに非常に敏感な干渉計を構築するために使用できます。 ^{[ 22 ]}この特性は、より優れた小型の周波数センサーやコンパクトな高解像度分光計を構築するために使用できます。
• その他の潜在的な応用例としては、光量子メモリが挙げられる。^{[ 23 ]}

モーリス・ルナールの小説『光の巨匠』 （1933年）における「ルミナイト」の描写は、スローライトに関する最も初期の言及の一つかもしれない。^{[ 24 ]}

これらの窓ガラスは、光が水を通過する時と同じように、光の速度を遅くする組成でできています。ペロンヌ、あなたはよくご存知でしょうが、例えば金属管やその他の固体を通して音が聞こえる速度は、単純な空間を通して聞こえる速度よりも速いのです。さて、ペロンヌ、これらはすべて同じ種類の現象なのです！ここに解決策があります。これらのガラス板は、光を信じられないほどの速度で遅くします。なぜなら、光を100年も遅くするには、比較的薄いシートで十分だからです。光線がこの物質の薄片を通過するのに100年もかかるのです！この厚さの100分の1を通過するのに1年しかかかりません。^{[ 25 ]}

スローライトをテーマにしたその後のフィクション作品については、以下に記載する。

• 光の速度が遅いという実験については、デイヴ・エガーズの小説『You Shall Know Our Velocity』（2002年）の中で触れられており、その中で光の速度は「日曜日のクロール」と表現されている。
• テリー・プラチェットの小説シリーズの舞台であるディスクワールドでは、ディスクワールドの「恥ずかしいほど強力な」魔法フィールドのため、光は時速数百マイルしか進まない。^{[ 26 ]}
• 「スローグラス」は、ボブ・ショーの短編小説「他の日々の光」（アナログ、1966年）およびその後のいくつかの物語に登場する架空の素材である。光の通過を数年から数十年遅らせるこのガラスは、都市住民、潜水艦乗組員、囚人が「生の」田園風景を観賞できるようにする「シーンドウ」と呼ばれる窓を作るために使われる。「スローグラス」は、光がガラスを通過するのに要する遅延が、「ガラス中の各原子の捕獲半径の外側に巻かれた螺旋状のトンネルを通過する」光子に起因するとされる素材である。ショーは後にこれらの物語を改作し、小説「他の日々、他の目」（1972年）とした。^{[ 27 ]}
• 『スローライト』（2022年）は、キジェク／アダムスキー監督による2つのアニメーション技法を用いた短編映画です。物語は、生まれつき盲目の少年が7歳で突然光を見るようになるというものです。検査の結果、彼の目は非常に鈍感で、光が網膜に到達し、その像が意識に届くまでに7年もかかることが判明します。この視覚障害は、少年の精神的な未熟さ、現在への理解の欠如、そして遠い過去の出来事への遅れた回想へと繋がります。少年は年齢相応の成熟度を欠き、常に過去に囚われています。
• Valve社のFPSタイトル「ハーフライフ2」のオリジナルサウンドトラックには、「スローライト」という曲が収録されている。このサウンドトラックには他にも、「ブレーンスキャン」や「ダークエネルギー」など、物理現象を連想させる曲が多数収録されている。

• 群速度がcを超える
• ソリッドライト

• Lene Vestergaard Hau、SE Harris、Zachary Dutton、Cyrus H. Behroozi、Nature v.397、p.  594 (1999)。
• 「IBMの新しいフォトニック導波路」。ネイチャー誌、2004年11月号。
• J. Scheuer、GT Paloczi、JKS Poon、A. Yariv、「結合共振器光導波路：光の減速と蓄積に向けて」、Opt. Photon. News、Vol. 16 (2005) p. 36。