Los investigadores construyeron una "trampa de luz" alrededor de una capa delgada utilizando espejos y lentes, en la que el haz de luz se dirige en un círculo y luego se superpone a sí mismo, exactamente de tal manera que el haz de luz se bloquea y ya no puede dejar el sistema.
Se desarrolló una “trampa de luz” en la que un haz de luz se impide escapar. Esto permite que la luz se absorba perfectamente.
Si desea utilizar la luz de manera eficiente, debe absorberla lo más completamente posible. Esto es cierto tanto en fotosíntesis y en un sistema fotovoltaico. Sin embargo, esto es difícil si la absorción se va a producir en una fina capa de material que normalmente deja pasar gran parte de la luz.
Ahora, han encontrado un truco sorprendente que permite que un haz de luz sea absorbido por completo incluso en las capas más delgadas. Construyeron una "trampa de luz" alrededor de la capa delgada utilizando espejos y lentes, en la que el haz de luz se dirige en un círculo y luego se superpone a sí mismo, exactamente de tal manera que el haz de luz se bloquea y ya no puede salir de la sistema. Por lo tanto, la luz no tiene otra opción que ser absorbida por la capa delgada, no hay otra salida.
Este método de absorción-amplificación, de equipos de investigación de TU Wien y de la Universidad Hebrea de Jerusalén, se presentará hoy (25 de agosto de 2022) en la revista científica Ciencia:. Es el resultado de una fructífera colaboración entre los dos equipos. El enfoque fue sugerido por el Prof. Ori Katz de la Universidad Hebrea de Jerusalén y conceptualizado con el Prof. Stefan Rotter de TU Wien. El experimento fue realizado por el equipo de laboratorio de Jerusalén y los cálculos teóricos procedieron del equipo de Viena.
Se muestra la configuración de la "trampa de luz", que consta de un espejo parcialmente transparente, un absorbente delgado y débil, dos lentes convergentes y un espejo totalmente reflectante. Normalmente, la mayor parte del haz de luz incidente se reflejaría. Sin embargo, debido a los efectos de interferencia calculados con precisión, el haz de luz incidente interfiere con el haz de luz reflejado entre los espejos, de modo que el haz de luz reflejado finalmente se extingue por completo. La energía de la luz es absorbida por completo por el absorbente delgado y débil. Crédito: Universidad Técnica de Viena
Las capas finas son transparentes a la luz.
“Absorber la luz es fácil cuando golpea un objeto sólido”, dice el profesor Stefan Rotter del Instituto de Física Teórica de TU Wien. “Un suéter grueso de lana negra puede absorber fácilmente la luz. Pero en muchas aplicaciones técnicas, solo tiene una capa delgada de material disponible y desea que la luz se absorba exactamente en esta capa”.
Ya se han hecho intentos para mejorar la absorción de los materiales. Por ejemplo, el material se puede colocar entre dos espejos. La luz se refleja de un lado a otro entre los dos espejos, atravesando cada vez el material y teniendo así una mayor probabilidad de ser absorbida. Sin embargo, para este propósito, los espejos no deben ser perfectos, uno de ellos debe ser parcialmente transparente, de lo contrario, la luz no puede penetrar en absoluto el área entre los dos espejos. Pero esto también significa que cada vez que la luz golpea este espejo parcialmente transparente, parte de la luz se pierde.
La luz se bloquea sola
Es posible utilizar las propiedades ondulatorias de la luz de forma sofisticada para evitarlo. “En nuestro enfoque, podemos cancelar todas las reflexiones inversas por interferencia de ondas”, dice el profesor Ori Katz de la Universidad Hebrea de Jerusalén. Helmut Hörner, de TU Wien, que dedicó su tesis a este tema, explica: “También en nuestro método, la luz cae primero sobre un espejo parcialmente transparente. Si simplemente envía un rayo láser a este espejo, se divide en dos partes: la parte más grande se refleja, la parte más pequeña penetra en el espejo”.
Esta parte del haz de luz que penetra en el espejo ahora se envía a través de la capa de material absorbente y luego se devuelve al espejo parcialmente transparente con lentes y otro espejo. “Lo crucial es que la longitud de este camino y la posición de los elementos ópticos se ajusten de tal manera que el haz de luz que regresa (y sus múltiples reflejos entre los espejos) anule exactamente el haz de luz reflejado directamente en el primer espejo. ”, dice Yevgeny Slobodkin y Gil Weinberg, los estudiantes graduados que construyeron el sistema en Jerusalén.
Los dos haces parciales se superponen de tal manera que la luz se bloquea, por así decirlo. Aunque el espejo parcialmente transparente por sí solo reflejaría una gran parte de la luz, este reflejo es imposible debido a que la otra parte del haz viaja a través del sistema antes de regresar al espejo parcialmente transparente.
Por lo tanto, el espejo, que antes era parcialmente transparente, ahora se vuelve completamente transparente para el rayo láser incidente. Básicamente, esto crea una calle de un solo sentido para la luz: el haz de luz puede entrar en el sistema, pero ya no puede escapar debido a la superposición de la parte reflejada y la parte guiada a través del sistema en un círculo. Entonces, la luz no tiene más remedio que ser absorbida: todo el rayo láser es absorbido por una capa delgada que, de lo contrario, permitiría que la mayor parte del rayo pasara.
Un fenómeno robusto
“El sistema debe ajustarse exactamente a la longitud de onda que desea absorber”, dice Stefan Rotter. “Pero aparte de eso, no hay requisitos limitantes. El rayo láser no tiene que tener una forma específica, puede ser más intenso en algunos lugares que en otros; siempre se logra una absorción casi perfecta”.
Ni siquiera las turbulencias del aire y las fluctuaciones de temperatura pueden dañar el mecanismo, como se demostró en los experimentos realizados en la Universidad Hebrea de Jerusalén. Esto demuestra que es un efecto robusto que promete una amplia gama de aplicaciones; por ejemplo, el mecanismo presentado podría incluso ser adecuado para capturar perfectamente las señales de luz que se distorsionan durante la transmisión a través de la atmósfera terrestre. El nuevo enfoque también podría ser de gran utilidad práctica para alimentar de manera óptima ondas de luz de fuentes de luz débiles (como estrellas distantes) a un detector.
Referencia: "Absorbedor perfecto coherente masivamente degenerado para frentes de onda arbitrarios" 25 de agosto de 2022, Ciencia:.
DOI: 10.1126/ciencia.abq8103
