Forskere udvikler en lille enhed, der bøjer lys for at generere ny stråling

University of Michigan fysikere har ledet udviklingen af ​​en enhed på størrelse med et tændstikhoved, der kan bøje lys inde i en krystal for at generere synkrotronstråling i et laboratorium.

Når fysikere bøjer meget intense stråler af ladede partikler i cirkulære baner nær lysets hastighed, denne bøjning kaster stykker lys af sig, eller røntgenstråler, kaldet synkrotronstråling. De U-M-ledede forskere brugte deres enhed til at bøje synligt lys for at producere lys med en bølgelængde i terahertz-området. Dette bølgelængdeområde er betydeligt større end for synligt lys, men meget mindre end de bølger, din mikroovn producerer - og kan trænge ind i tøjet.

Synkrotronstråling genereres normalt på store anlæg, som typisk er på størrelse med flere fodboldstadioner. I stedet, U-M-forskerne Roberto Merlin og Meredith Henstridges team udviklede en måde at producere synkrotronstråling ved at printe et mønster af mikroskopiske guldantenner på den polerede overflade af en lithiumtantalatkrystal, kaldet en metasflade. U-M holdet, som også omfattede forskere fra Purdue University, brugte en laser til at pulsere lys gennem mønsteret af antenner, som bøjede lyset og producerede synkrotronstråling.

"I stedet for at bruge linser og rumlige lysmodulatorer til at udføre denne form for eksperiment, vi fandt ud af det ved blot at mønstre en overflade med en metasflade, du kan nå et lignende mål, " sagde Merlin, professor i fysik og elektroteknik og datalogi. "For at få lys til at krumme, du skal forme hvert stykke af lysstrålen til en bestemt intensitet og fase, og nu kan vi gøre dette på en ekstremt kirurgisk måde."

Anthony Grbic, U-M professor i elektroteknik og datalogi, ledet holdet, der designede metasurfacen, hvor den tidligere ph.d.-studerende Carl Pfeiffer udviklede metasfladen.

Metasfladen er sammensat af omkring 10 millioner bittesmå boomerangformede antenner. Hver antenne er betydeligt mindre end bølgelængden af ​​det indfaldende lys, sagde Henstridge, hovedforfatter af undersøgelsen. Forskerne bruger en laser, der producerer "ultrakorte" udbrud eller lysimpulser, som varer en billiontedel af et sekund. Arrayet af antenner får lysimpulsen til at accelerere langs en buet bane inde i krystallen.

Lysimpulsen skaber en samling af elektriske dipoler – eller, en gruppe af positive og negative ladningspar. Denne dipolsamling accelererer langs lyspulsens buede bane, resulterer i emission af synkrotronstråling, ifølge Henstridge, som tog sin doktorgrad ved U-M og nu er postdoktor ved Max Planck Instituttet for materiens struktur og dynamik i Hamborg, Tyskland.

Forskernes enhed producerer synkrotronstråling, der indeholder mange terahertz-frekvenser, fordi lysimpulserne kun bevæger sig en brøkdel af en cirkel. Men de håber at forfine deres enhed, så lysimpulsen roterer kontinuerligt langs en cirkulær bane, producerer synkrotronstråling ved en enkelt terahertz-frekvens.

Det videnskabelige samfund bruger enkeltfrekvente terahertz-kilder til at studere adfærden af ​​atomer eller molekyler i et givet fast stof, væske eller gas. Kommercielt, terahertz-kilder bruges til at scanne genstande gemt i tøj- og emballagekasser. Narkotika, eksplosive og giftige gasser har alle unikke "fingeraftryk" i terahertz-området, som kunne identificeres ved hjælp af terahertz-spektroskopi.

Enhedens anvendelser er ikke begrænset til sikkerhedsindustrien.

"Terahertz-stråling er nyttig til billeddannelse i de biomedicinske videnskaber, " sagde Henstridge. "For eksempel, det er blevet brugt til at skelne mellem kræftvæv og sundt væv. En on-chip, enkeltfrekvens terahertz-kilde, såsom en lille lys-drevet synkrotron såsom vores enhed, kan give mulighed for nye fremskridt i alle disse applikationer."