قام الباحثون ببناء "مصيدة ضوئية" حول طبقة رقيقة باستخدام المرايا والعدسات ، حيث يتم توجيه شعاع الضوء في دائرة ثم تركيبه على نفسه - بالضبط بطريقة تجعل شعاع الضوء يحجب نفسه ولا يمكنه ترك النظام.
تم تطوير "مصيدة ضوئية" حيث يمنع شعاع الضوء نفسه من الهروب. هذا يسمح للضوء أن يمتص بشكل مثالي.
إذا كنت ترغب في استخدام الضوء بكفاءة ، فعليك امتصاصه بالكامل قدر الإمكان. هذا صحيح في كليهما التركيب الضوئي وفي النظام الكهروضوئي. ومع ذلك ، يكون هذا صعبًا إذا كان الامتصاص يحدث في طبقة رقيقة من المادة التي تسمح عادةً لجزء كبير من الضوء بالمرور.
الآن ، اكتشفنا خدعة مدهشة تسمح بامتصاص شعاع من الضوء بالكامل حتى في الطبقات الرقيقة. قاموا ببناء "مصيدة ضوئية" حول الطبقة الرقيقة باستخدام المرايا والعدسات ، حيث يتم توجيه شعاع الضوء في دائرة ثم يتم تثبيته على نفسه - تمامًا بطريقة تجعل شعاع الضوء يحجب نفسه ولا يمكنه ترك النظام. وبالتالي ، ليس للضوء خيار آخر سوى أن تمتصه الطبقة الرقيقة - لا يوجد مخرج آخر.
طريقة الامتصاص - التضخيم هذه ، من فرق بحثية من TU Wien ومن الجامعة العبرية في القدس ، سيتم تقديمها اليوم (25 أغسطس ، 2022) في المجلة العلمية علوم. إنها نتيجة تعاون مثمر بين الفريقين. تم اقتراح النهج من قبل البروفيسور أوري كاتس من الجامعة العبرية في القدس ووضع مفهومه مع البروفيسور ستيفان روتر من جامعة TU Wien. تم إجراء التجربة من قبل فريق المختبر في القدس وجاءت الحسابات النظرية من الفريق في فيينا.
يتم عرض إعداد "مصيدة الضوء" ، ويتكون من مرآة شفافة جزئيًا ، وامتصاص ضعيف ورقيق ، وعدستين متقاربة ومرآة عاكسة تمامًا. عادة ، سوف ينعكس معظم شعاع الضوء الساقط. ومع ذلك ، نظرًا لتأثيرات التداخل المحسوبة بدقة ، فإن حزمة الضوء الساقط تتداخل مع شعاع الضوء المنعكس بين المرآتين ، بحيث يتم إطفاء شعاع الضوء المنعكس تمامًا في النهاية. يمتص الماص الرقيق والضعيف طاقة الضوء تمامًا. الائتمان: TU Wien
الطبقات الرقيقة شفافة للضوء
يقول البروفيسور ستيفان روتر من معهد الفيزياء النظرية بجامعة TU Wien: "يكون امتصاص الضوء أمرًا سهلاً عندما يصطدم بجسم صلب". "بلوفر الصوف السميك الأسود يمتص الضوء بسهولة. ولكن في العديد من التطبيقات التقنية ، لا يتوفر لديك سوى طبقة رقيقة من المواد وتريد امتصاص الضوء في هذه الطبقة بالضبط ".
وقد بذلت محاولات بالفعل لتحسين امتصاص المواد. على سبيل المثال ، يمكن وضع المادة بين مرآتين. ينعكس الضوء ذهابًا وإيابًا بين المرآتين ، ويمر عبر المادة في كل مرة وبالتالي يكون هناك فرصة أكبر للامتصاص. ومع ذلك ، لهذا الغرض ، يجب ألا تكون المرايا مثالية - يجب أن تكون إحداها شفافة جزئيًا ، وإلا فلن يتمكن الضوء من اختراق المنطقة الواقعة بين المرآتين على الإطلاق. ولكن هذا يعني أيضًا أنه عندما يصطدم الضوء بهذه المرآة الشفافة جزئيًا ، يُفقد بعض الضوء.
كتل الضوء نفسها
من الممكن استخدام الخصائص الموجية للضوء بطريقة معقدة لمنع ذلك. يقول البروفيسور أوري كاتس من الجامعة العبرية في القدس: "في نهجنا ، نحن قادرون على إلغاء جميع الانعكاسات الخلفية عن طريق التداخل الموجي". يوضح هيلموت هورنر ، من TU Wien ، الذي خصص أطروحته لهذا الموضوع: "في طريقتنا أيضًا ، يسقط الضوء أولاً على مرآة شفافة جزئيًا. إذا قمت ببساطة بإرسال شعاع ليزر إلى هذه المرآة ، فسيتم تقسيمها إلى جزأين: الجزء الأكبر ينعكس ، والجزء الأصغر يخترق المرآة ".
يتم الآن إرسال هذا الجزء من شعاع الضوء الذي يخترق المرآة عبر طبقة المواد الممتصة ثم يعود إلى المرآة الشفافة جزئيًا بعدسات ومرآة أخرى. "الشيء المهم هو أن طول هذا المسار وموضع العناصر البصرية يتم ضبطهما بطريقة تجعل شعاع الضوء العائد (وانعكاساته المتعددة بين المرايا) يلغي تمامًا شعاع الضوء المنعكس مباشرة عند المرآة الأولى يقول يفغيني سلوبودكين وجيل واينبرغ ، طلاب الدراسات العليا الذين بنوا النظام في القدس.
يتداخل الشعاعتان الجزئيتان بطريقة تجعل الضوء يحجب نفسه ، إذا جاز التعبير. على الرغم من أن المرآة الشفافة جزئيًا وحدها ستعكس في الواقع جزءًا كبيرًا من الضوء ، إلا أن هذا الانعكاس يصبح مستحيلًا بسبب انتقال الجزء الآخر من الحزمة عبر النظام قبل العودة إلى المرآة الشفافة جزئيًا.
لذلك ، فإن المرآة ، التي كانت شفافة جزئيًا ، أصبحت الآن شفافة تمامًا لشعاع الليزر الساقط. يؤدي هذا بشكل أساسي إلى إنشاء طريق أحادي الاتجاه للضوء: يمكن لشعاع الضوء أن يدخل إلى النظام ، ولكن بعد ذلك لم يعد قادرًا على الهروب بسبب تراكب الجزء المنعكس والجزء الموجه عبر النظام في دائرة. لذلك ليس أمام الضوء خيار سوى أن يُمتص - يتم ابتلاع شعاع الليزر بأكمله بواسطة طبقة رقيقة تسمح لولا ذلك لمعظم الشعاع بالمرور.
ظاهرة قوية
يقول ستيفان روتر: "يجب ضبط النظام تمامًا وفقًا للطول الموجي الذي تريد امتصاصه". لكن بصرف النظر عن ذلك ، لا توجد متطلبات مقيدة. لا يجب أن يكون لشعاع الليزر شكل محدد ، يمكن أن يكون أكثر كثافة في بعض الأماكن أكثر من أماكن أخرى - يتم تحقيق الامتصاص المثالي دائمًا ".
لا يمكن حتى للاضطرابات الهوائية وتقلبات درجات الحرارة أن تلحق الضرر بالآلية ، كما هو موضح في التجارب التي أجريت في الجامعة العبرية في القدس. هذا يثبت أنه تأثير قوي يعد بمجموعة واسعة من التطبيقات - على سبيل المثال ، يمكن أن تكون الآلية المقدمة مناسبة تمامًا لالتقاط إشارات الضوء المشوهة أثناء الإرسال عبر الغلاف الجوي للأرض. يمكن أن يكون النهج الجديد أيضًا ذا فائدة عملية كبيرة للتغذية المثلى لموجات الضوء من مصادر الضوء الضعيفة (مثل النجوم البعيدة) في الكاشف.
المرجع: "جهاز امتصاص مثالي متماسك متدهور بشكل كبير لواجهات الموجة التعسفية" 25 أغسطس 2022 ، علوم.
DOI: 10.1126 / science.abq8103
