Forskere får gennemsigtige materialer til at absorbere lys

En gruppe fysikere fra Rusland, Sverige og USA har vist en yderst usædvanlig optisk effekt. Det lykkedes dem "praktisk talt" at absorbere lys ved hjælp af et materiale, der ikke har nogen lysabsorberende kapacitet. Forskningsresultaterne, udgivet i Optica , bryde ny grund for skabelsen af ​​hukommelseselementer til lys.

Absorption af elektromagnetisk stråling, herunder lys, er en af ​​de vigtigste virkninger af elektromagnetisme. Denne proces finder sted, når elektromagnetisk energi omdannes til varme eller en anden form for energi i et absorberende materiale (f.eks. under elektron -excitation). Kul, sort maling og carbon nanorør -arrays - også kendt som Vantablack - fremstår sorte, fordi de absorberer energi fra det indfaldende lys næsten fuldstændigt. Andre materialer, såsom glas eller kvarts, har ingen absorberende egenskaber og ser derfor gennemsigtige ud.

I deres teoretiske forskning, hvis resultater blev offentliggjort i tidsskriftet Optica , fysikerne formåede at fjerne den enkle og intuitive forestilling ved at få et fuldstændigt gennemsigtigt materiale til at virke perfekt absorberende. For at opnå det, forskerne anvendte særlige matematiske egenskaber ved spredningsmatrixen - en funktion, der relaterer et indfaldende elektromagnetisk felt til det, der er spredt af systemet. Når en lysstråle med tidsuafhængig intensitet rammer et gennemsigtigt objekt, lyset absorberes ikke, men er spredt af materialet - et fænomen forårsaget af spredningsmatrixens enhedsegenskab. Det viste sig, imidlertid, at hvis intensiteten af ​​den indfaldende stråle varierer med tiden på en bestemt måde, enhedens ejendom kan blive forstyrret, i hvert fald midlertidigt. I særdeleshed, hvis intensitetsvæksten er eksponentiel, den samlede indfaldende lysenergi vil akkumulere i det transparente materiale uden at forlade det (fig. 1). Sådan er det, systemet fremstår perfekt absorberende udefra.

For at illustrere effekten, forskerne undersøgte et tyndt lag af et gennemsigtigt dielektrikum og beregnede den intensitetsprofil, der kræves til absorption af det indfaldende lys. Beregningerne bekræftede, at når hændelsesbølgeintensiteten vokser eksponentielt (den stiplede linje på fig. 2), lyset hverken transmitteres eller reflekteres (den faste kurve på fig. 2). Det er, laget ser perfekt absorberende ud på trods af at det mangler den faktiske absorptionskapacitet. Imidlertid, når den eksponentielle vækst af den indfaldende bølgeamplitude standser (ved t =0), energien låst i laget frigives.

"Vores teoretiske fund ser ud til at være temmelig kontraintuitive. Indtil vi startede vores forskning, vi kunne ikke engang forestille os, at det ville være muligt at udføre sådan et trick med en gennemsigtig struktur, "siger Denis Baranov, en doktorand ved MIPT og en af ​​forfatterne til undersøgelsen. "Imidlertid, det var matematikken, der førte os til effekten. Hvem ved, elektrodynamik kan meget vel rumme andre fascinerende fænomener."

Resultaterne af undersøgelsen udvider ikke kun vores generelle forståelse af, hvordan lys opfører sig, når det interagerer med almindelige gennemsigtige materialer, men har også en bred vifte af praktiske anvendelser. For at give et eksempel, ophobning af lys i et gennemsigtigt materiale kan hjælpe med at designe optiske hukommelsesenheder, der kan lagre optisk information uden tab og frigive den, når det er nødvendigt.