Uventet lysadfærd kan blive udnyttet til at forbedre optisk kommunikation og sensorer

Skynd en lommelygte ind i et grumset damvand, og strålen vil ikke trænge særlig langt ind. Absorption og spredning mindsker hurtigt intensiteten af ​​lysstrålen, som mister en fast procentdel af energi pr. tilbagelagt afstand. Dette fald - kendt som eksponentielt henfald - gælder for lys, der rejser gennem enhver væske eller fast stof, der let absorberer og spreder elektromagnetisk energi.

Men det er ikke, hvad forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) fandt, da de studerede et miniature lysspredningssystem - et ultratyndt lag af siliciumnitrid fremstillet oven på en chip og ætset med en række tætsiddende, periodiske riller. Rillerne danner et gitter - en enhed, der spreder forskellige farver af lys i forskellige vinkler - mens siliciumnitrid virker til at begrænse og lede indkommende lys så langt som muligt langs 0,2 centimeters længde af gitteret.

Risten spreder lys - det meste opad, vinkelret på enheden - ligesom damvand gør. Og i de fleste af deres eksperimenter observerede NIST-forskerne netop det. Intensiteten af ​​lyset dæmpede eksponentielt og var i stand til kun at oplyse de første par af gitterets riller.

Men da NIST-holdet justerede bredden af ​​rillerne, så de var næsten lig med afstanden mellem dem, fandt forskerne noget overraskende. Hvis de omhyggeligt valgte en specifik bølgelængde af infrarødt lys, faldt intensiteten af ​​dette lys meget langsommere, mens det rejste langs gitteret. Intensiteten faldt lineært med den tilbagelagte distance snarere end eksponentielt.

Forskerne var lige så fascinerede af en egenskab ved det infrarøde lys spredt opad fra gitteret. Når lysintensiteten langs gitteret skiftede fra eksponentiel til lineær nedgang, dannede lyset spredt opad en bred stråle, der havde samme intensitet hele vejen igennem. En bred lysstråle med ensartet intensitet er et yderst ønskeligt værktøj til mange eksperimenter, der involverer skyer af atomer.

El- og computeringeniør Sangsik Kim havde aldrig set noget lignende. Da han første gang observerede den mærkelige adfærd i simuleringer, han udførte på NIST i foråret 2017, bekymrede han og veteranen NIST-forsker Vladimir Aksyuk, at han havde lavet en fejl. Men to uger senere så Kim den samme effekt i laboratorieforsøg med brug af egentlige diffraktionsgitre.

Hvis bølgelængden skiftede en smule, eller afstanden mellem rillerne kun ændrede sig en lille smule, vendte systemet tilbage til eksponentielt henfald.

Det tog NIST-holdet flere år at udvikle en teori, der kunne forklare det mærkelige fænomen. Forskerne fandt ud af, at det har sine rødder i det komplekse samspil mellem gitterets struktur, lyset, der rejser frem, lyset spredt bagud af rillerne i gitteret og lyset spredt opad. På et kritisk tidspunkt, kendt som det usædvanlige punkt, konspirerer alle disse faktorer om dramatisk at ændre tabet i lysenergi og ændre det fra eksponentielt til lineært henfald.

Forskerne var overraskede over at indse, at det fænomen, de observerede med infrarødt lys, er en universel egenskab for enhver type bølge, der rejser gennem en periodisk struktur med tab, uanset om bølgerne er akustiske, infrarøde lys eller radio.

Fundet kan gøre det muligt for forskere at transmittere lysstråler fra en chip-baseret enhed til en anden uden at miste så meget energi, hvilket kan være en velsignelse for optisk kommunikation. Den brede, ensartede stråle skulptureret af det exceptionelle punkt er også ideel til at studere en sky af atomer. Lyset får atomerne til at hoppe fra et energiniveau til et andet; dens bredde og ensartede intensitet gør det muligt for strålen at afhøre de hurtigt bevægende atomer i længere tid. Præcis måling af frekvensen af ​​lys, der udsendes, når atomerne foretager sådanne overgange, er et nøgletrin i at bygge meget nøjagtige atomure og skabe præcise navigationssystemer baseret på fangede atomdampe.

Mere generelt, sagde Aksyuk, gør den ensartede lysstråle det muligt at integrere bærbare, chip-baserede fotoniske enheder med optiske eksperimenter i stor skala, hvilket reducerer deres størrelse og kompleksitet. Når den ensartede lysstråle for eksempel sonderer en atomær damp, kan informationen sendes tilbage til den fotoniske chip og behandles der.

Endnu en potentiel anvendelse er miljøovervågning. Fordi transformationen fra eksponentiel til lineær absorption er pludselig og udsøgt følsom over for den valgte bølgelængde af lys, kan den danne grundlaget for en højpræcisionsdetektor af spormængder af forurenende stoffer. Hvis et forurenende stof ved overfladen ændrer lysets bølgelængde i gitteret, vil det exceptionelle punkt brat forsvinde, og lysintensiteten vil hurtigt gå over fra lineært til eksponentielt henfald, sagde Aksyuk.

Forskerne, inklusive Aksyuk og Kim, som nu er ved Texas Tech University i Lubbock, rapporterede deres resultater online i udgaven af ​​Nature Nanotechnology den 21. april. . + Udforsk yderligere

Ny enhed udvider lysstrålerne 400 gange, hvilket udvider mulighederne inden for videnskab og teknologi