Fysikere udvikler en perfekt lysfælde

Uanset om det er i fotosyntese eller i et solcelleanlæg:Hvis du vil bruge lyset effektivt, skal du absorbere det så fuldstændigt som muligt. Det er dog svært, hvis absorptionen skal foregå i et tyndt lag materiale, der normalt lader en stor del af lyset passere igennem.

Nu har forskerhold fra TU Wien og fra The Hebrew University of Jerusalem fundet et overraskende trick, der gør det muligt at absorbere en lysstråle fuldstændigt selv i de tyndeste lag:De byggede en "lysfælde" omkring det tynde lag ved hjælp af spejle og linser, hvori lysstrålen styres i en cirkel og derefter lægges oven på sig selv - præcis på en sådan måde, at lysstrålen blokerer sig selv og ikke længere kan forlade systemet. Lyset har således intet andet valg end at blive absorberet af det tynde lag - der er ingen anden udvej.

Denne absorptions-amplifikationsmetode, som nu er blevet præsenteret i det videnskabelige tidsskrift Science , er resultatet af et frugtbart samarbejde mellem de to teams:tilgangen blev foreslået af prof. Ori Katz fra The Hebrew University of Jerusalem og konceptualiseret med prof. Stefan Rotter fra TU Wien; eksperimentet blev udført af laboratorieholdet i Jerusalem, og de teoretiske beregninger kom fra holdet i Wien.

Tynde lag er gennemsigtige for lys

"Absorbering af lys er let, når det rammer en fast genstand," siger prof. Stefan Rotter fra Institut for Teoretisk Fysik ved TU Wien. "En tyk, sort uldtrøje kan sagtens absorbere lys. Men i mange tekniske anvendelser har du kun et tyndt lag materiale til rådighed, og du vil gerne have, at lyset absorberes præcis i dette lag."

Der har allerede været forsøg på at forbedre absorptionen af ​​materialer:For eksempel kan materialet placeres mellem to spejle. Lyset reflekteres frem og tilbage mellem de to spejle, passerer gennem materialet hver gang og har dermed større chance for at blive absorberet. Til dette formål må spejlene dog ikke være perfekte – et af dem skal være delvist gennemsigtigt, ellers kan lyset slet ikke trænge ind i området mellem de to spejle. Men det betyder også, at når lyset rammer dette delvist gennemsigtige spejl, går noget af lyset tabt.

Lyset blokerer sig selv

For at forhindre dette er det muligt at bruge lysets bølgeegenskaber på en sofistikeret måde. "I vores tilgang er vi i stand til at annullere alle tilbagereflektioner ved bølgeinterferens," siger prof. Ori Katz fra The Hebrew University of Jerusalem. Helmut Hörner, fra TU Wien, som dedikerede sit speciale til dette emne, forklarer:"Også i vores metode falder lyset først på et delvist gennemsigtigt spejl. Sender man blot en laserstråle ind på dette spejl, deles det i to dele:Den største del reflekteres, en mindre del trænger ind i spejlet."

Denne del af lysstrålen, der trænger ind i spejlet, sendes nu gennem det absorberende materialelag og returneres derefter til det delvist gennemsigtige spejl med linser og et andet spejl. "Det afgørende er, at længden af ​​denne vej og positionen af ​​de optiske elementer justeres på en sådan måde, at den tilbagevendende lysstråle (og dens multiple refleksioner mellem spejlene) nøjagtigt udligner lysstrålen, der reflekteres direkte ved det første spejl. ," siger Yevgeny Slobodkin og Gil Weinberg, de kandidatstuderende, der byggede systemet i Jerusalem.

De to delstråler overlapper hinanden på en sådan måde, at lyset så at sige blokerer sig selv:Selvom det delvist gennemsigtige spejl alene faktisk ville reflektere en stor del af lyset, bliver denne refleksion umuliggjort af den anden del af strålen, der rejser gennem lyset. system, før du vender tilbage til det delvist gennemsigtige spejl.

Derfor bliver spejlet, som tidligere var delvist gennemsigtigt, nu helt gennemsigtigt for den indfaldende laserstråle. Dette skaber en ensrettet gade for lyset:lysstrålen kan trænge ind i systemet, men så kan den ikke længere undslippe på grund af overlejringen af ​​den reflekterede del og den del, der føres gennem systemet i en cirkel. Så lyset har intet andet valg end at blive absorberet – hele laserstrålen opsluges af et tyndt lag, der ellers ville lade det meste af strålen passere igennem.

Et robust fænomen

"Systemet skal tunes præcist til den bølgelængde, du ønsker at absorbere," siger Stefan Rotter. "Men bortset fra det, er der ingen begrænsende krav. Laserstrålen behøver ikke at have en bestemt form, den kan være mere intens nogle steder end andre - næsten perfekt absorption opnås altid."

Ikke engang luftturbulens og temperaturudsving kan skade mekanismen, som det blev vist i eksperimenter udført på The Hebrew University i Jerusalem. Dette beviser, at det er en robust effekt, der lover en bred vifte af anvendelser - for eksempel kunne den præsenterede mekanisme endda være velegnet til perfekt at fange lyssignaler, der forvrænges under transmission gennem jordens atmosfære. Den nye tilgang kan også være til stor praktisk nytte til optimalt at føde lysbølger fra svage lyskilder (såsom fjerne stjerner) ind i en detektor. + Udforsk yderligere

Hvilken farve er et spejl? Forklaring af spejle og hvordan de virker.