- Fizicienii au reușit ca un material transparent să absoarbă “virtual” lumina în anumite condiții.
- Ei au studiat un strat subțire de dielectric transparent și au măsurat intensitatea suficientă necesară pentru a absorbi fasciculul de lumină incident.
- Atunci când intensitatea luminii incidente crește exponențial, fasciculul de lumină nu este nici reflectat, nici transmis.
La școală, am învățat că, atunci când undele de lumină vizibilă, care constau într-o gamă continuă de lungimi de undă, lovesc un obiect, se pot întâmpla mai multe lucruri – pot fi absorbite și transformate în căldură, reflectate sau transmise de obiect.
Depinde în principal de frecvența luminii și de natura obiectului – un obiect ar putea reflecta lumina albastră, absorbind în același timp toate celelalte frecvențe ale luminii vizibile, în timp ce un alt obiect ar putea transmite selectiv lumina verde, făcând același lucru.
Atunci când obiectul este transparent, vibrațiile electronilor sunt transmise la atomii vecini prin masa materialului și reemise pe partea opusă a obiectului. Unul dintre principalele efecte ale electromagnetismului este absorbția radiațiilor electromagnetice. Aceasta se întâmplă dacă energia electromagnetică este transformată în căldură (sau într-un alt tip de energie) în interiorul unei substanțe absorbante.
Rețelele de nanotuburi de carbon și cărbunele apar de culoare neagră, deoarece absorb complet toată energia luminoasă incidentă. Cuarțul și sticla, pe de altă parte, nu au nicio putere de absorbție, astfel că au un aspect transparent.
Cu toate acestea, o echipă de fizicieni din Statele Unite, Suedia și Rusia a demonstrat un comportament destul de ciudat al luminii – au făcut ca materialul transparent să absoarbă “virtual” lumina. Cercetarea și experimentul sunt fascinante, deoarece, așa cum am menționat, se știe că materialele transparente nu au nicio capacitate de absorbție a luminii. Așadar, cum au reușit să facă acest lucru?
Cercetări teoretice
Concepție artistică a procesului de absorbție virtuală a luminii în materialul transparent
Pentru a face ca materialul transparent să pară că absoarbe lumina, fizicienii au folosit unele proprietăți matematice speciale ale matricei de împrăștiere. Ei au folosit o funcție de câmp electromagnetic incident cu cea împrăștiată de sistem.
O proprietate unitară a matricei de împrăștiere arată că lumina este împrăștiată atunci când un fascicul de intensitate independentă de timp lovește orice obiect transparent. Cu toate acestea, această proprietate unitară poate fi modificată (cel puțin pentru o anumită perioadă de timp) dacă intensitatea fasciculului incident este variată în raport cu timpul într-un mod specific.
Dacă intensitatea crește exponențial, energia totală a luminii incidente se acumulează în interiorul materialului transparent fără a-l părăsi, ceea ce face ca materialul să pară perfect absorbant din exterior.
Referință: OSApublishing | doi:10.1364/OPTICA.4.001457
Experiment și calcule
Efectul de absorbție virtuală într-un strat subțire de material transparent
Pentru a demonstra acest efect, echipa a studiat un strat subțire de dielectric transparent și a măsurat intensitatea suficientă necesară pentru a absorbi fasciculul de lumină incident. Măsurătorile lor au confirmat faptul că, atunci când intensitatea luminii incidente crește exponențial (curba punctată), fasciculul de lumină nu este nici reflectat, nici transmis (curba continuă).
Deși are o capacitate de absorbție reală zero, foaia de obiect transparent pare perfect absorbantă. Atunci când nu mai crește amplitudinea undei incidente, energia captată în strat este eliberată (la momentul t =0).
Efectul nu este exclusiv pentru sistemele fără pierderi. Simulările efectuate de echipă arată că efectul este robust în funcție de gradul de pierdere a materialului, având în vedere că fasciculul de lumină incident are o dependență temporală precisă care se potrivește cu poziția zero de împrăștiere în planul de frecvență complicat.
Stocarea ideală a luminii nu va avea loc în sistemele cu pierderi, deoarece doar o cantitate infimă din fasciculul de lumină incident este reemisă, în timp ce o cantitate finită de energie este absorbită de obiect atunci când un fascicul de lumină intră în contact. Același răspuns poate fi observat în structurile canonice, cum ar fi tijele și plăcile dielectrice.
Efectul nu este limitat doar la optică. Formalismul matricei de împrăștiere se aplică în egală măsură la frecvențe mai mici, pentru care se anticipează variații mai lente, la acustică și la probleme de mecanică cuantică cu o singură particulă.
Citiți: Nanoribonii de grafen emit 10 milioane de fotoni pe secundă | Nou studiu
Aplicații
Cercetarea nu numai că ne extinde înțelegerea comportamentului luminii atunci când aceasta intră în contact cu materiale transparente, dar are și numeroase aplicații utile. De exemplu, lumina captată în interiorul unui material transparent poate ajuta fizicienii să dezvolte instrumente de memorie optică pentru stocarea datelor optice fără pierderi. Posibilitățile sunt nenumărate, cine știe, electrodinamica poate adăposti și alte fenomene interesante.
