Akár a fekete lyukból: ebből a fénycsapdából egyetlen foton sem szökik meg

Nagyenergiájú fotonok lépnek a légkörbe (művészi illusztráció)

Bécsi és jeruzsálemi fizikusok megalkották a tökéletes fénycsapdát: egy olyan vékony anyagréteget, amelyből maga a ráeső fénysugár akadályozza meg a saját kilépését.

Tükrök és lencsék segítségével ejtik foglyul a fényt

Bármely fényenergiát hasznosító folyamatban, így a fotoszintézisben vagy a napelemek áramtermelésekor egyaránt kulcsfontosságú a hatékonyság szempontjából, hogy a fényt minél tökéletesebben elnyelje a rendszer. Ez azonban nem egyszerű, ha az elnyelésért egy olyan vékony anyagréteg felelős, amely normálisan a fény nagy részét átengedné.

Nagyenergiájú fotonok lépnek a légkörbe (művészi illusztráció) Forrás: DESY, Science Communication Lab

Most a Bécsi Műszaki Egyetem és a jeruzsálemi Héber Egyetem kutatócsoportjai meglepő trükkre bukkantak,

melynek révén a lehető legvékonyabb anyagréteg is tökéletesen fényelnyelővé alakítható:

tükrök és lencsék segítségével olyan fénycsapdát alkottak, amelyben a fénysugarat körpályára irányítják, majd önmagával interferáltatják, méghozzá egész pontosan úgy, hogy blokkolja saját magát és ne tudja többé elhagyni a rendszert.

Az elektromágneses spektrumnak csak szűk tartománya a látható fény Forrás: Origo

Így a fénynek nem marad más lehetősége, mint hogy elnyelődjék a vékony rétegben, hiszen nincs más kiútja. Ez az elnyelés-felerősítés módszer, amelyet a Science folyóiratban ismertetnek a szerzők, a két kutatócsoport közötti gyümölcsöző együttműködés keretében született: a megközelítést a jeruzsálemi Ori Katz professzor javasolta, a koncepciót a bécsi Stefan Rotter professzor dolgozta ki, a kísérletet a jeruzsálemi laboratóriumi csapat hajtotta végre, s végül az elméleti számításokat a bécsi kollégák végezték.

Körmönfont módon használják ki a fény hullámtermészetét

„A fény könnyen elnyelődik, ha szilárd testbe ütközik – fejti ki Stefan Rotter, a bécsi műegyetem Elméleti Fizikai Intézetének professzora. – Egy vastag fekete gyapjúpulóver könnyen elnyeli a fényt. De sok olyan technológiai alkalmazás van, ahol csak egy vékony réteg áll rendelkezésünkre, és pontosan abban kellene a fénynek elnyelődnie." Történtek már kísérletek a vékony anyagrétegek fényelnyelésének javítására; megpróbálták például két tükör közé zárni a réteget. A fény ilyenkor oda-vissza verődik a két tükör között, és mindannyiszor átmegy a rétegen, így nagyobb eséllyel nyelődik el benne.

Egy tökéletes kozmikus fénycsapda, a fekete lyuk Forrás: Science Photo Library

Az e célra használt tükrök azonban nem lehetnek tökéletesek: egyiküknek részben fényáteresztőnek kell lennie, különben a fény eleve be se léphetne a két tükör közé. Ez viszont azzal jár, hogy a fényből mindig elvész valamennyi, ahányszor csak a részben áteresztő tükörnek ütközik. Ezt csak úgy akadályozhatjuk meg, ha körmönfont módon használjuk ki a fény hullámtulajdonságait. „A mi esetünkben a hulláminterferencia révén sikerült minden fényvisszaverődést kiküszöbölnünk" – ismerteti Ori Katz, a jeruzsálemi Héber Egyetem professzora.

Albert Einstein 1921-ben, a fizikai Nobel-díj elnyerésének évében. A rangos díjat a fény fotoelektromos természetének felfedezéséért kapta Forrás: Wikimedia Commons/Ferdinand Schmutzer

A bécsi Műegyetem munkatársa, Helmut Hörner, aki ennek a témának szentelte doktori disszertációját, így magyarázza az eljárást: „A mi módszerünkben is egy részben áteresztő tükörre esik először a fény. Ha szimplán csak ráküldünk egy lézersugarat erre a tükörre, az két részre oszlik: a nagyobbik része visszaverődik, a kisebbik része pedig áthatol a tükrön." Ezt követően a fénysugárnak az a része, amely átjut a tükrön, áthalad az elnyelő anyagrétegen, majd lencsék és egy másik tükör segítségével visszatér a részben áteresztő tükörre.

Illusztráció Forrás: MATT HEINTZE/CALTECH/MIT/LIGO LAB

„A lényeg a következő: a fényút hossza és az optikai elemek helyzete úgy lett beállítva, hogy a visszaterelt fénysugár és annak tükröződései pontosan kioltsák az első tükör által visszavert fényt" – fejtik ki Jevgenyij Szlobodkin és Gil Weinberg, a Héber Egyetem doktoranduszai, akik a rendszert megépítették.

Egyirányú utca, amiből nem tud megszökni a fény

A két rész-sugár oly módon fed át egymással, hogy a fény úgyszólván önmagát blokkolja: bár a részben áteresztő tükör maga a fény jó részét visszaverné, ezt a visszaverődést lehetetlenné teszi a sugár másik része, amely áthalad a rendszeren, mielőtt visszatérne az első tükörhöz.

Így aztán a tükör, amely eredendően részben áteresztő volt, teljesen áteresztővé válik a beeső lézersugárra nézve.

A szerkezet egyirányú utca a fény számára: a fénysugár bejut ugyan a rendszerbe, de soha többé nem tud megszökni a visszavert sugárnyaláb és a rendszeren belül körbevezetett sugárnyaláb szuperpozíciója miatt.

A lézersugarak erősebbek lehetnek, amikor plazmarácsokon haladnak keresztül. Forrás: https://www.newscientist.com/article/2334804-plasmas-could-be-used-to-make-the-worlds-most-powerful-laser/

Így a fénynek nem marad más lehetősége, mint elnyelődni; a teljes lézersugár eltűnik egy olyan vékony anyagrétegben, amelyen amúgy a fénynyaláb java része simán áthaladna. „A rendszert nagyon pontosan be kell hangolni arra a hullámhosszra, amit el akarunk vele nyeletni – hangsúlyozza Stefan Rotter. – De ettől eltekintve nincs semmilyen korlátozó feltétel.

A lézernyalábnak nem kell különleges alakúnak lenni,

még az sem baj, ha egyes helyeken erősebb, mint másutt; az elnyelődés mindenképpen szinte tökéletes lesz." A Héber Egyetemen végzett kísérletek útján meggyőződtek arról, hogy a mechanizmust még a levegő turbulenciái és a hőmérséklet ingadozásai sem tudják megzavarni, ami ígéretet jelent arra nézve, hogy az effektust számos különböző alkalmazási területen fel lehet majd használni.

Illusztráció Forrás: NASA

Alkalmas lehet egyebek mellett arra, hogy tökéletesen felfogjon olyan fényjeleket, amelyek a Föld légkörén való áthaladás közben eltorzulnak. Szintén jelentős gyakorlati hasznot remélnek a módszertől olyan alkalmazásokban, ahol gyenge fényforrásokból – például távoli csillagokból – érkező jeleket kell optimális módon egy detektorra koncentrálni.