Forskere bygde en "lysfelle" rundt et tynt lag ved hjelp av speil og linser, der lysstrålen styres i en sirkel og deretter legges over seg selv - nøyaktig på en slik måte at lysstrålen blokkerer seg selv og ikke lenger kan forlate system.
Det ble utviklet en «lysfelle» der en lysstråle hindrer seg selv i å rømme. Dette gjør at lys absorberes perfekt.
Skal du bruke lys effektivt, må du absorbere det så fullstendig som mulig. Dette er sant både i fotosyntese og i et solcelleanlegg. Dette er imidlertid vanskelig dersom absorpsjonen skal skje i et tynt lag av materiale som normalt slipper gjennom en stor del av lyset.
Har nå funnet et overraskende triks som lar en lysstråle absorberes fullstendig selv i de tynneste lag. De bygde en "lysfelle" rundt det tynne laget ved hjelp av speil og linser, der lysstrålen styres i en sirkel og deretter legges over seg selv - nøyaktig på en slik måte at lysstrålen blokkerer seg selv og ikke lenger kan forlate system. Derfor har lyset ingen annen mulighet enn å bli absorbert av det tynne laget – det er ingen annen utvei.
Denne absorpsjon-amplifikasjonsmetoden, fra forskningsteam fra TU Wien og fra The Hebrew University of Jerusalem, vil bli presentert i dag (25. august 2022) i det vitenskapelige tidsskriftet Vitenskap. Det er et resultat av et fruktbart samarbeid mellom de to lagene. Tilnærmingen ble foreslått av Prof. Ori Katz fra The Hebrew University of Jerusalem og konseptualisert med Prof. Stefan Rotter fra TU Wien. Eksperimentet ble utført av laboratorieteamet i Jerusalem og de teoretiske beregningene kom fra teamet i Wien.
"Lysfelle"-oppsettet er vist, bestående av et delvis gjennomsiktig speil, en tynn, svak absorber, to konvergerende linser og et totalt reflekterende speil. Normalt vil det meste av den innfallende lysstrålen bli reflektert. Men på grunn av nøyaktig beregnede interferenseffekter, forstyrrer den innfallende lysstrålen lysstrålen som reflekteres tilbake mellom speilene, slik at den reflekterte lysstrålen til slutt slukkes fullstendig. Lysets energi suges fullstendig opp av den tynne og svake absorberen. Kreditt: TU Wien
Tynne lag er gjennomsiktige for lys
"Det er lett å absorbere lys når det treffer et solid objekt," sier prof. Stefan Rotter fra Institutt for teoretisk fysikk ved TU Wien. «En tykk sort ullgenser kan lett absorbere lys. Men i mange tekniske bruksområder har du bare et tynt lag med materiale tilgjengelig, og du vil at lyset skal absorberes nøyaktig i dette laget.»
Det er allerede gjort forsøk på å forbedre absorpsjonen av materialer. For eksempel kan materialet plasseres mellom to speil. Lyset reflekteres frem og tilbake mellom de to speilene, passerer gjennom materialet hver gang og har dermed større sjanse for å bli absorbert. Men for dette formålet må ikke speilene være perfekte - ett av dem må være delvis gjennomsiktig, ellers kan ikke lyset trenge gjennom området mellom de to speilene i det hele tatt. Men dette betyr også at når lyset treffer dette delvis gjennomsiktige speilet, går noe av lyset tapt.
Lyset blokkerer seg selv
Det er mulig å bruke lysets bølgeegenskaper på en sofistikert måte for å forhindre dette. "I vår tilnærming er vi i stand til å kansellere alle bakrefleksjoner ved bølgeinterferens," sier prof. Ori Katz fra The Hebraw University of Jerusalem. Helmut Hörner, fra TU Wien, som dedikerte oppgaven sin til dette emnet, forklarer: «Også i vår metode faller lyset først på et delvis gjennomsiktig speil. Hvis du bare sender en laserstråle på dette speilet, deles den i to deler: Den største delen reflekteres, en mindre del trenger gjennom speilet.»
Denne delen av lysstrålen som trenger gjennom speilet sendes nå gjennom det absorberende materiallaget og returneres deretter til det delvis gjennomsiktige speilet med linser og et annet speil. "Det avgjørende er at lengden på denne banen og posisjonen til de optiske elementene justeres på en slik måte at den returnerende lysstrålen (og dens multiple refleksjoner mellom speilene) nøyaktig kansellerer ut lysstrålen som reflekteres direkte ved det første speilet , sier Yevgeny Slobodkin og Gil Weinberg, doktorgradsstudentene som bygde systemet i Jerusalem.
De to delstrålene overlapper hverandre på en slik måte at lyset blokkerer seg selv, for å si det sånn. Selv om det delvis gjennomsiktige speilet alene faktisk ville reflektert en stor del av lyset, blir denne refleksjonen umuliggjort av at den andre delen av strålen beveger seg gjennom systemet før den går tilbake til det delvis gjennomsiktige speilet.
Derfor blir speilet, som tidligere var delvis gjennomsiktig, nå helt gjennomsiktig for den innfallende laserstrålen. Dette skaper i hovedsak en enveiskjørt gate for lyset: lysstrålen kan komme inn i systemet, men da kan den ikke lenger unnslippe på grunn av superposisjonen av den reflekterte delen og delen som ledes gjennom systemet i en sirkel. Så lyset har ikke noe annet valg enn å bli absorbert – hele laserstrålen svelges opp av et tynt lag som ellers ville latt det meste av strålen passere gjennom.
Et robust fenomen
"Systemet må innstilles nøyaktig til bølgelengden du ønsker å absorbere," sier Stefan Rotter. «Men bortsett fra det er det ingen begrensende krav. Laserstrålen trenger ikke å ha en bestemt form, den kan være mer intens noen steder enn andre – nesten perfekt absorpsjon oppnås alltid.»
Ikke engang luftturbulens og temperatursvingninger kan skade mekanismen, slik det ble demonstrert i eksperimenter utført ved The Hebrew University i Jerusalem. Dette beviser at det er en robust effekt som lover et bredt spekter av bruksområder – for eksempel kan den presenterte mekanismen til og med være godt egnet til å perfekt fange lyssignaler som blir forvrengt under overføring gjennom jordens atmosfære. Den nye tilnærmingen kan også være til stor praktisk nytte for optimalt å mate lysbølger fra svake lyskilder (som fjerne stjerner) inn i en detektor.
Referanse: "Massivt degenerert koherent perfekt absorber for vilkårlige bølgefronter" 25. august 2022, Vitenskap.
DOI: 10.1126/science.abq8103
