Дослідники побудували «світлову пастку» навколо тонкого шару за допомогою дзеркал і лінз, у яких світловий промінь спрямовується по колу, а потім накладається на себе – саме таким чином, що промінь світла блокує сам себе і більше не може вийти за межі система.
Була розроблена «світлова пастка», в якій промінь світла не дає собі вирватися. Це дозволяє ідеально поглинати світло.
Якщо ви хочете ефективно використовувати світло, ви повинні поглинати його якомога повніше. Це вірно як в фотосинтез і в фотоелектричній системі. Однак це важко, якщо поглинання має відбуватися в тонкому шарі матеріалу, який зазвичай пропускає значну частину світла.
Тепер ми знайшли дивовижний трюк, який дозволяє повністю поглинати промінь світла навіть у найтонших шарах. Вони побудували «світлову пастку» навколо тонкого шару за допомогою дзеркал і лінз, у яких світловий промінь спрямовується по колу, а потім накладається на себе — саме таким чином, що промінь світла блокує сам себе і більше не може покинути межі система. Таким чином, у світла немає іншого виходу, крім як поглинатися тонким шаром – іншого виходу немає.
Цей метод поглинання-ампліфікації дослідницькими групами Віденського технічного університету та Єврейського університету в Єрусалимі буде представлено сьогодні (25 серпня 2022 р.) у науковому журналі наука. Це результат плідної співпраці двох команд. Цей підхід запропонував професор Орі Кац з Єврейського університету в Єрусалимі та розробив концепцію разом із професором Стефаном Роттером з Віденського ТУ. Експеримент проводила команда лабораторії в Єрусалимі, а теоретичні розрахунки були зроблені командою з Відня.
Показана установка «світлова пастка», що складається з частково прозорого дзеркала, тонкого слабкого поглинача, двох збиральних лінз і повністю відбиваючого дзеркала. Зазвичай більша частина падаючого світлового променя буде відбита. Однак завдяки точно розрахованим ефектам інтерференції падаючий світловий промінь перешкоджає світловому променю, відбитому назад між дзеркалами, так що відбитий світловий промінь остаточно повністю гасне. Енергія світла повністю поглинається тонким і слабким поглиначем. Авторство: TU Wien
Тонкі шари прозорі для світла
«Поглинати світло легко, коли воно потрапляє на твердий об’єкт», — каже професор Стефан Роттер з Інституту теоретичної фізики Віденського технічного університету. «Товстий чорний вовняний джемпер легко поглинає світло. Але в багатьох технічних застосуваннях у вас є лише тонкий шар матеріалу, і ви хочете, щоб світло поглиналося саме в цьому шарі».
Вже робилися спроби поліпшити поглинання матеріалів. Наприклад, матеріал можна помістити між двома дзеркалами. Світло відбивається вперед і назад між двома дзеркалами, щоразу проходячи крізь матеріал і таким чином маючи більший шанс поглинутись. Однак для цього дзеркала не повинні бути ідеальними – одне з них має бути частково прозорим, інакше світло взагалі не зможе проникнути в область між двома дзеркалами. Але це також означає, що щоразу, коли світло потрапляє на це частково прозоре дзеркало, частина світла втрачається.
Світло блокує себе
Щоб запобігти цьому, можна використати хвильові властивості світла у витончений спосіб. «У нашому підході ми можемо скасувати всі зворотні відбиття хвильовою інтерференцією», — каже професор Орі Кац з Єврейського університету в Єрусалимі. Гельмут Хьорнер з Віденського технічного університету, який присвятив свою дисертацію цій темі, пояснює: «У нашому методі також світло спочатку падає на частково прозоре дзеркало. Якщо просто надіслати лазерний промінь на це дзеркало, воно розділиться на дві частини: більша частина відбивається, менша — проникає в дзеркало».
Ця частина світлового променя, який проникає в дзеркало, тепер направляється через шар поглинаючого матеріалу, а потім повертається до частково прозорого дзеркала з лінзами та іншого дзеркала. «Вирішальним є те, що довжина цього шляху та положення оптичних елементів налаштовані таким чином, щоб зворотний світловий промінь (і його багаторазове відображення між дзеркалами) точно нейтралізував світловий промінь, відбитий безпосередньо від першого дзеркала. », – розповідають Євген Слободкін і Гіл Вайнберг, аспіранти, які побудували систему в Єрусалимі.
Два часткових промені перекриваються таким чином, що світло блокує себе, так би мовити. Хоча лише частково прозоре дзеркало фактично відбивало б більшу частину світла, це відображення стає неможливим через те, що інша частина променя проходить через систему перед поверненням до частково прозорого дзеркала.
Тому дзеркало, яке раніше було частково прозорим, тепер стає повністю прозорим для падаючого лазерного променя. Це, по суті, створює вулицю з одностороннім рухом для світла: промінь світла може потрапити в систему, але потім він більше не може вийти через суперпозицію відбитої частини та частини, що проходить через систему по колу. Тож у світла немає іншого вибору, окрім як поглинатися – весь лазерний промінь поглинається тонким шаром, який інакше пропускав би більшу частину променя.
Стійке явище
«Система має бути налаштована точно на ту довжину хвилі, яку ви хочете поглинути», — каже Стефан Роттер. «Але крім цього, немає жодних обмежень. Лазерний промінь не обов’язково має мати певну форму, він може бути більш інтенсивним в одних місцях, ніж в інших – завжди досягається майже ідеальне поглинання».
Навіть турбулентність повітря та коливання температури не можуть зашкодити механізму, як було продемонстровано в експериментах, проведених у Єврейському університеті в Єрусалимі. Це доводить, що це надійний ефект, який обіцяє широкий спектр застосувань – наприклад, представлений механізм може навіть добре підходити для ідеального захоплення світлових сигналів, які спотворюються під час передачі через атмосферу Землі. Новий підхід також може мати велике практичне застосування для оптимальної подачі світлових хвиль від слабких джерел світла (таких як далекі зірки) у детектор.
Довідка: «Масивно вироджений когерентний ідеальний поглинач для довільних хвильових фронтів» 25 серпня 2022 р., наука.
DOI: 10.1126/science.abq8103
