Výzkumníci kolem tenké vrstvy pomocí zrcadel a čoček postavili „světelnou past“, ve které je světelný paprsek nasměrován do kruhu a poté na sebe navrstven – přesně takovým způsobem, že paprsek světla sám sebe zablokuje a již nemůže opustit Systém.
Byla vyvinuta „světelná past“, ve které si paprsek světla brání v úniku. To umožňuje dokonalé pohlcování světla.
Pokud chcete efektivně využít světlo, musíte ho co nejúplněji pohltit. To platí jak v fotosyntéza a ve fotovoltaickém systému. To je však obtížné, pokud má absorpce probíhat v tenké vrstvě materiálu, která běžně propouští velkou část světla.
Nyní jsme našli překvapivý trik, který umožňuje, aby paprsek světla byl zcela absorbován i v nejtenčích vrstvách. Kolem tenké vrstvy postavili „světelnou past“ pomocí zrcadel a čoček, ve které je světelný paprsek nasměrován do kruhu a poté na sebe superponován – přesně takovým způsobem, že paprsek světla sám sebe zablokuje a již nemůže opustit Systém. Světlo tak nemá jinou možnost, než se nechat pohltit tenkou vrstvou – jiné východisko není.
Tato absorpčně-amplifikační metoda od výzkumných týmů z TU Wien a z Hebrejské univerzity v Jeruzalémě bude dnes (25. srpna 2022) představena ve vědeckém časopise Věda. Je to výsledek plodné spolupráce mezi oběma týmy. Tento přístup navrhl prof. Ori Katz z Hebrejské univerzity v Jeruzalémě a konceptualizoval jej s prof. Stefanem Rotterem z TU Wien. Experiment prováděl laboratorní tým v Jeruzalémě a teoretické výpočty pocházely od týmu z Vídně.
Je zobrazena sestava „světelné pasti“, která se skládá z částečně průhledného zrcadla, tenkého slabého absorbéru, dvou sbíhavých čoček a zcela odrážejícího zrcadla. Normálně by se většina dopadajícího světelného paprsku odrazila. V důsledku přesně vypočítaných interferenčních efektů však dopadající světelný paprsek interferuje se světelným paprskem odraženým zpět mezi zrcadly, takže odražený světelný paprsek je nakonec zcela uhašen. Energie světla je zcela pohlcena tenkým a slabým absorbérem. Kredit: TU Wien
Tenké vrstvy jsou pro světlo průhledné
„Absorpce světla je snadná, když narazí na pevný předmět,“ říká prof. Stefan Rotter z Ústavu teoretické fyziky na TU Wien. „Tlustý černý vlněný svetr snadno absorbuje světlo. Ale v mnoha technických aplikacích máte k dispozici pouze tenkou vrstvu materiálu a chcete, aby světlo bylo absorbováno přesně v této vrstvě.“
Byly již učiněny pokusy zlepšit absorpci materiálů. Materiál lze například umístit mezi dvě zrcadla. Světlo se odráží tam a zpět mezi dvěma zrcadly, pokaždé prochází materiálem a má tak větší šanci na pohlcení. K tomuto účelu však nesmí být zrcadla dokonalá – jedno z nich musí být částečně průhledné, jinak světlo do prostoru mezi dvěma zrcadly vůbec nepronikne. To ale také znamená, že kdykoli světlo dopadne na toto částečně průhledné zrcadlo, část světla se ztratí.
Světlo se samo blokuje
Aby se tomu zabránilo, je možné sofistikovaným způsobem využívat vlnové vlastnosti světla. „V našem přístupu jsme schopni zrušit všechny zpětné odrazy vlnovou interferencí,“ říká prof. Ori Katz z Hebrejské univerzity v Jeruzalémě. Helmut Hörner z TU Wien, který tomuto tématu věnoval svou diplomovou práci, vysvětluje: „I v naší metodě světlo nejprve dopadá na částečně průhledné zrcadlo. Pokud jednoduše pošlete laserový paprsek na toto zrcadlo, rozdělí se na dvě části: Větší část se odráží, menší část zrcadlem proniká.“
Tato část světelného paprsku, která proniká zrcadlem, je nyní posílána skrz vrstvu absorbujícího materiálu a poté se vrací do částečně průhledného zrcadla s čočkami a dalším zrcadlem. „Rozhodující je, že délka této dráhy a poloha optických prvků jsou nastaveny tak, aby vracející se světelný paprsek (a jeho vícenásobné odrazy mezi zrcadly) přesně rušil světelný paprsek odražený přímo v prvním zrcadle. “, říkají Jevgenij Slobodkin a Gil Weinberg, postgraduální studenti, kteří postavili systém v Jeruzalémě.
Dva dílčí paprsky se překrývají tak, že se světlo takříkajíc blokuje. Ačkoli samotné částečně průhledné zrcadlo by ve skutečnosti odráželo velkou část světla, tento odraz je znemožněn tím, že druhá část paprsku prochází systémem, než se vrátí do částečně průhledného zrcadla.
Proto se zrcadlo, které bylo dříve částečně průhledné, nyní stává zcela průhledným pro dopadající laserový paprsek. To v podstatě vytváří jednosměrnou ulici pro světlo: světelný paprsek může vstoupit do systému, ale poté již nemůže uniknout kvůli superpozici odražené části a části vedené systémem v kruhu. Světlo tedy nemá jinou možnost, než se nechat pohltit – celý laserový paprsek pohltí tenká vrstva, která by jinak většinu paprsku propustila.
Robustní fenomén
„Systém musí být naladěn přesně na vlnovou délku, kterou chcete absorbovat,“ říká Stefan Rotter. „Ale kromě toho neexistují žádné omezující požadavky. Laserový paprsek nemusí mít konkrétní tvar, na některých místech může být intenzivnější než na jiných – vždy je dosaženo téměř dokonalé absorpce.“
Ani turbulence vzduchu a teplotní výkyvy nemohou mechanismus poškodit, jak bylo prokázáno v experimentech provedených na Hebrejské univerzitě v Jeruzalémě. To dokazuje, že jde o robustní efekt, který slibuje širokou škálu aplikací – například představený mechanismus by se mohl dobře hodit i k dokonalému zachycení světelných signálů, které jsou zkreslené při přenosu zemskou atmosférou. Nový přístup by mohl být také velmi praktický pro optimální přivádění světelných vln ze slabých světelných zdrojů (jako jsou vzdálené hvězdy) do detektoru.
Odkaz: „Masivně degenerovaný koherentní dokonalý absorbér pro libovolné vlnoplochy“ 25. srpna 2022, Věda.
DOI: 10.1126/science.abq8103
