Se descubrió la forma perfecta de atrapar la luz

Si se desea utilizar la luz de manera eficiente, ya sea en la fotosíntesis o en el sistema fotovoltaico, debe absorberse por completo. Esto es más difícil si la absorción ocurre en una capa delgada del material que normalmente permite que una gran parte de la luz fluya a través de ella.

Profesor de la Universidad de Heliópolis Uri Katz. Crédito de la imagen: Meital Covo

Ahora, investigadores de TU Wien y La Universidad Hebrea de Jerusalén (HU) ha descubierto un método inesperado que permite absorber completamente el rayo láser incluso en las capas más ligeras:

Usaron espejos y lentes para crear una «trampa de luz» alrededor de la película, en la que un haz de luz se dirige en un círculo y luego se superpone a sí mismo, de tal manera que el haz de luz se detiene sobre sí mismo y no puede escapar. el sistema. Como resultado, la luz no tiene otra opción que ser consumida por la capa más delgada.

Este método de absorción-amplificación que ahora se ha publicado en revistas científicas Cienciases el resultado de una fructífera asociación entre los dos equipos: la estrategia recomendada por el profesor Uri Katz de la Universidad Hebrea de Jerusalén y desarrollada con el profesor Stefan Reuter de TU Wien.

El equipo de laboratorio realizó el experimento en Jerusalén y los resultados teóricos provinieron del equipo de Viena.

La luz se absorbe fácilmente cuando golpea un objeto sólido. Un chorro de gruesa lana negra puede absorber fácilmente la luz. Pero en muchas aplicaciones técnicas, solo tiene una capa delgada de material y desea absorber la luz exactamente en esa capa..

Stefan Reuter, Profesor, Instituto de Física Teórica, Universidad de Viena

Ya se han realizado esfuerzos para mejorar la absorción del material, como colocar el material entre dos espejos. La luz se refleja de un lado a otro entre los dos espejos, viajando a través del material cada vez y aumentando así el potencial de absorción.

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Sin embargo, para esta función, uno de los espejos debe ser algo transparente; de ​​lo contrario, la luz no puede entrar en absoluto en el área entre los dos espejos. Sin embargo, cuando la luz incide en este espejo parcialmente transparente, parte de la luz se disipa.

Es posible utilizar las características de la onda de luz de forma compleja para evitar esto.

«En nuestro enfoque, podemos cancelar todos los reflejos de fondo por interferencia de ondas.”, señaló la Universidad de Heliópolis, profesor Uri Katz.

Helmut Horner, de la Universidad de Viena, quien dedicó su tesis a este tema, explicó,También en nuestro método, la luz cae primero sobre un espejo parcialmente transparente. Si simplemente envía un rayo láser a este espejo, se dividirá en dos partes: la parte más grande se refleja y la parte más pequeña penetra en el espejo.. «

Después de pasar a través de la capa absorbente, la parte del rayo de luz que atravesó el espejo se transmite de regreso al espejo parcialmente transparente usando lentes y otro espejo.

«Lo importante es que la longitud de este camino y la posición de los elementos ópticos se ajusten de tal manera que el rayo de luz que regresa (y sus múltiples reflejos entre los espejos) anule por completo el rayo de luz reflejado directamente en el primero. espejodijeron Yevgeny Slobodkin y Jill Weinberg.

Yevgeny Slobodkin y Jill Weinberg eran estudiantes de posgrado en la Universidad de Heliópolis e idearon este método en Jerusalén.

Aunque el espejo parcialmente transparente por sí solo representaría una porción significativa de la luz, este reflejo se vuelve imposible debido a que la porción adicional del haz se mueve a través del sistema antes de regresar al espejo parcialmente transparente. Esto se conoce como el efecto de «bloqueo de luz» debido a la forma en que se superponen los dos haces parciales.

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Como resultado, el espejo, que anteriormente era parcialmente transparente al rayo láser incidente, ahora es completamente transparente. El haz de luz puede ingresar al sistema, pero ya no puede salir debido a la superposición del componente reflejado y la parte dirigida en un círculo a través del sistema.

Como resultado, todo el rayo láser es absorbido por una capa delgada que, de otro modo, habría permitido que pasara la mayor parte del rayo.

El sistema debe estar completamente sintonizado con la longitud de onda que desea absorber.

Stefan Reuter, Profesor, Instituto de Física Teórica, Universidad de Viena

«Pero aparte de eso, no hay requisitos restrictivos. El rayo láser no tiene que tener una forma definida, puede ser más intenso en algunos lugares que en otros – casi siempre se logra una absorción perfecta. «

Los experimentos realizados en la Universidad Hebrea de Jerusalén demostraron que el proceso es impermeable incluso al aire turbulento y a los cambios de temperatura.

Esto demuestra que es un efecto confiable que ofrece una variedad de usos potenciales; Por ejemplo, el mecanismo propuesto puede estar bien adaptado para capturar con precisión las señales de luz que se distorsionan durante la propagación a través de la atmósfera terrestre.

El nuevo método podría ser muy útil en el mundo real para dirigir ondas de luz desde fuentes de luz débiles (como estrellas distantes) a un detector de la mejor manera posible.

Referencia de la revista:

Slobodkin, Y. y otros. (2022) Un absorbente ideal coherente perfectamente degradado para frentes de onda arbitrarios. Ciencias. doi.org/10.1126/science.abq8103.

fuente: https://nuevo.huji.ac.il/

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