I ricercatori hanno costruito una "trappola di luce" attorno a uno strato sottile utilizzando specchi e lenti, in cui il raggio di luce viene guidato in un cerchio e quindi sovrapposto a se stesso, esattamente in modo tale che il raggio di luce si blocchi e non possa più lasciare il sistema.
È stata sviluppata una "trappola di luce" in cui un raggio di luce impedisce a se stesso di fuoriuscire. Questo permette alla luce di essere assorbita perfettamente.
Se vuoi usare la luce in modo efficiente, devi assorbirla il più completamente possibile. Questo è vero sia in fotosintesi e in un impianto fotovoltaico. Tuttavia, questo è difficile se l'assorbimento deve avvenire in un sottile strato di materiale che normalmente lascia passare gran parte della luce.
Ora, abbiamo trovato un trucco sorprendente che consente a un raggio di luce di essere completamente assorbito anche negli strati più sottili. Intorno allo strato sottile hanno costruito una “trappola di luce” utilizzando specchi e lenti, in cui il raggio di luce viene orientato in un cerchio e poi sovrapposto a se stesso, esattamente in modo tale che il raggio di luce si blocchi e non possa più lasciare il sistema. Pertanto, la luce non ha altra scelta che essere assorbita dallo strato sottile: non c'è altra via d'uscita.
Questo metodo di assorbimento-amplificazione, dai gruppi di ricerca di TU Wien e dell'Università Ebraica di Gerusalemme, sarà presentato oggi (25 agosto 2022) sulla rivista scientifica Scienze. È il risultato di una proficua collaborazione tra le due squadre. L'approccio è stato suggerito dal Prof. Ori Katz dell'Università Ebraica di Gerusalemme e concettualizzato con il Prof. Stefan Rotter del TU Wien. L'esperimento è stato condotto dal team di laboratorio a Gerusalemme ei calcoli teorici sono arrivati dal team di Vienna.
Viene mostrata la configurazione della “trappola di luce”, composta da uno specchio parzialmente trasparente, un assorbitore sottile e debole, due lenti convergenti e uno specchio totalmente riflettente. Normalmente, la maggior parte del raggio di luce incidente verrebbe riflessa. Tuttavia, a causa di effetti di interferenza calcolati con precisione, il raggio di luce incidente interferisce con il raggio di luce riflesso tra gli specchi, in modo che il raggio di luce riflesso venga infine completamente spento. L'energia della luce viene completamente risucchiata dall'assorbitore sottile e debole. Credito: TU Vienna
Gli strati sottili sono trasparenti alla luce
"Assorbire la luce è facile quando colpisce un oggetto solido", afferma il Prof. Stefan Rotter dell'Istituto di Fisica Teorica della TU Wien. “Un maglione di lana nero spesso può assorbire facilmente la luce. Ma in molte applicazioni tecniche, hai solo uno strato sottile di materiale disponibile e vuoi che la luce venga assorbita esattamente in questo strato".
Sono già stati fatti tentativi per migliorare l'assorbimento dei materiali. Ad esempio, il materiale può essere posizionato tra due specchi. La luce viene riflessa avanti e indietro tra i due specchi, passando ogni volta attraverso il materiale e avendo così maggiori possibilità di essere assorbita. Tuttavia, per questo scopo, gli specchi non devono essere perfetti, uno di essi deve essere parzialmente trasparente, altrimenti la luce non può assolutamente penetrare nell'area tra i due specchi. Ma questo significa anche che ogni volta che la luce colpisce questo specchio parzialmente trasparente, parte della luce va persa.
La luce si blocca
È possibile utilizzare le proprietà ondulatorie della luce in modo sofisticato per prevenirlo. "Nel nostro approccio, siamo in grado di annullare tutti i riflessi all'indietro dall'interferenza delle onde", afferma il Prof. Ori Katz dell'Università Ebraica di Gerusalemme. Helmut Hörner, di TU Wien, che ha dedicato la sua tesi a questo argomento, spiega: “Anche nel nostro metodo la luce cade prima su uno specchio parzialmente trasparente. Se invii semplicemente un raggio laser su questo specchio, questo viene diviso in due parti: la parte più grande viene riflessa, una parte più piccola penetra nello specchio".
Questa parte del raggio di luce che penetra nello specchio viene ora inviata attraverso lo strato di materiale assorbente e quindi restituita allo specchio parzialmente trasparente con lenti e un altro specchio. “L'importante è che la lunghezza di questo percorso e la posizione degli elementi ottici siano regolati in modo tale che il raggio di luce di ritorno (e le sue molteplici riflessioni tra gli specchi) annulli esattamente il raggio di luce riflesso direttamente sul primo specchio ”, affermano Yevgeny Slobodkin e Gil Weinberg, gli studenti laureati che hanno costruito il sistema a Gerusalemme.
I due raggi parziali si sovrappongono in modo tale che la luce si blocchi, per così dire. Sebbene lo specchio parzialmente trasparente da solo rifletta effettivamente gran parte della luce, questa riflessione è resa impossibile dall'altra parte del raggio che viaggia attraverso il sistema prima di tornare allo specchio parzialmente trasparente.
Pertanto, lo specchio, che prima era parzialmente trasparente, ora diventa completamente trasparente per il raggio laser incidente. Questo crea essenzialmente una strada a senso unico per la luce: il raggio luminoso può entrare nel sistema, ma poi non può più fuoriuscire a causa della sovrapposizione della porzione riflessa e della porzione guidata attraverso il sistema in un cerchio. Quindi la luce non ha altra scelta che essere assorbita: l'intero raggio laser viene inghiottito da uno strato sottile che altrimenti consentirebbe il passaggio della maggior parte del raggio.
Un fenomeno robusto
"Il sistema deve essere sintonizzato esattamente sulla lunghezza d'onda che si desidera assorbire", afferma Stefan Rotter. “Ma a parte questo, non ci sono requisiti limitanti. Il raggio laser non deve avere una forma specifica, può essere più intenso in alcuni punti che in altri – si ottiene sempre un assorbimento quasi perfetto”.
Nemmeno la turbolenza dell'aria e le fluttuazioni di temperatura possono danneggiare il meccanismo, come è stato dimostrato negli esperimenti condotti presso l'Università Ebraica di Gerusalemme. Ciò dimostra che si tratta di un effetto robusto che promette un'ampia gamma di applicazioni: ad esempio, il meccanismo presentato potrebbe anche essere adatto a catturare perfettamente i segnali luminosi che vengono distorti durante la trasmissione attraverso l'atmosfera terrestre. Il nuovo approccio potrebbe anche essere di grande utilità pratica per alimentare in modo ottimale onde luminose da deboli sorgenti luminose (come stelle lontane) in un rivelatore.
Riferimento: "Assorbitore perfetto coerente massicciamente degenerato per fronti d'onda arbitrari" 25 agosto 2022, Scienze.
DOI: 10.1126/science.abq8103
