Eine perfekte Lichtfalle

Ob in dieser Photosynthese oder in einer Photovoltaikanlage: Wer Licht effizient nutzen will, muss es möglichst vollwertig aufsaugen. Dies ist jedoch schwierig, wenn die Einsaugung in einer dünnen Materialschicht erfolgen soll, die normalerweise kombinieren großen Teil des Lichts durchlässt.

Nun nach sich ziehen Forscherteams dieser TU Wien und dieser Hebräischen Universität Jerusalem kombinieren überraschenden Trick gefunden, dieser es ermöglicht, kombinieren Lichtstrahl sekundär in dünnsten Schichten vollwertig zu aufsaugen: Sie bauten mit Spiegeln eine „Lichtfalle“ um die dünne Schicht herum Linsen, zusammen mit denen dieser Lichtstrahl zirkulär gelenkt und dann mit sich selbst überlagert wird – genau so, dass dieser Lichtstrahl sich selbst verspannt und dies System nicht mehr verlassen kann.

Somit bleibt dem Licht nichts anderes übrig, wie von dieser dünnen Schicht absorbiert zu werden – es gibt keinen anderen Ausweg. Ebendiese Absorptions-Amplifikations-Methode, die jetzt im Wissenschaftsjournal Science vorgestellt wurde, ist dies Ergebnis einer fruchtbaren Zusammenarbeit zwischen den beiden Teams: Welcher Methode wurde von Prof. Ori Katz von dieser Hebräischen Universität Jerusalem vorgeschlagen und mit Prof. Stefan konzipiert Rotter von dieser TU Wien; dies Probelauf wurde vom Laborteam in Jerusalem durchgeführt und die theoretischen Berechnungen kamen vom Team in Wien.

Dünne Schichten sind lichtdurchlässig
„Licht zu aufsaugen ist simpel, wenn es hinaus kombinieren festen Gegenstand trifft“, sagt Prof. Stefan Rotter vom Institut für jedes Theoretische Physik dieser TU Wien. „Ein dicker schwarzer Wollpullover kann leichtgewichtig Licht aufsaugen. Ungeachtet zusammen mit vielen technischen Anwendungen hat man nur eine dünne Materialschicht zur Verfügung und möchte, dass dies Licht genau in dieser Schicht absorbiert wird.“

Es gab schon Versuche, die Einsaugung von Materialien zu verbessern: Z. B. kann dies Werkstoff zwischen zwei Spiegeln platziert werden. Dies Licht wird zwischen den beiden Spiegeln hin und zurück reflektiert, durchdringt jeweils dies Werkstoff und hat so eine größere Möglichkeit, absorbiert zu werden. Dazu sollen die Spiegel wirklich nicht perfekt sein – einer davon muss teildurchlässig sein, sonst kann dies Licht gar nicht in den Kategorie zwischen den beiden Spiegeln eindringen. Dies bedeutet gleichwohl sekundär, dass immer dann, wenn dies Licht hinaus diesen teildurchlässigen Spiegel trifft, ein Teil des Lichts verloren geht.

Dies Licht verspannt sich selbst
Um dies zu verhindern, ist es möglich, die Welleneigenschaften des Lichts raffiniert zu nutzen. „Für unserem Methode sind wir in dieser Stellung, ganz Rückreflexionen durch Welleninterferenz auszulöschen“, sagt Prof. Ori Katz von dieser Hebräischen Universität Jerusalem. Helmut Horner von dieser TU Wien, dieser diesem Themenbereich seine Diplomarbeit gewidmet hat, erklärt: „Unter ferner liefen zusammen mit unserer Methode fällt dies Licht zunächst hinaus kombinieren teildurchlässigen Spiegel. Schickt man simpel kombinieren Laserstrahl hinaus diesen Spiegel, wird er zweigeteilt Teile: Welcher größere Teil wird reflektiert, ein kleinerer Teil durchdringt den Spiegel.“

Dieser Teil des Lichtstrahls, dieser den Spiegel durchdringt, wird nun durch die absorbierende Materialschicht geschickt und dann zum teildurchlässigen Spiegel mit Linsen und einem weiteren Spiegel zurückgeführt. „Entscheidend ist, dass die Länge dieses Weges und die Status dieser optischen Elemente so eingestellt sind, dass dieser zurückkommende Lichtstrahl (und seine Mehrfachreflexionen zwischen den Spiegeln) den direktemang am ersten Spiegel reflektierten Lichtstrahl exakt auslöscht “, sagen Jewgeni Slobodkin und Gil Weinberg, die Doktoranden, die dies System in Jerusalem aufgebaut nach sich ziehen.

Die beiden Teilstrahlen zusammenschneiden sich so, dass sich dies Licht sozusagen selbst verspannt: Obwohl dieser teildurchlässige Spiegel einzig fast wie kombinieren großen Teil des Lichts spiegeln würde, wird ebendiese Reflexion durch den anderen Teil des durch den Spiegel hindurchgehenden Strahls unmöglich gemacht System vor dieser Rückkehr zum teildurchlässigen Spiegel.

Von dort wird dieser früher teilweise transparente Spiegel nun für jedes den einfallenden Laserstrahl vollwertig transparent. Damit entsteht eine Einbahnstraße für jedes dies Licht: Welcher Lichtstrahl kann in dies System eintreten, dann gleichwohl aufgrund dieser Überschneidung des reflektierten Anteils und des zirkulär durch dies System geführten Anteils nicht mehr strullen. Dem Licht bleibt danach nichts anderes übrig, wie absorbiert zu werden – dieser gesamte Laserstrahl wird von einer dünnen Schicht verschluckt, die sonst den größten Teil des Strahls durchlassen würde.

Ein robustes Phänomen
„Dies System muss genau hinaus die Wellenlänge aufeinander abgestimmt sein, die man aufsaugen möchte“, sagt Stefan Rotter. „Ungeachtet darüber hinaus gibt es keine einschränkenden Anforderungen. Welcher Laserstrahl muss keine bestimmte Form nach sich ziehen, er kann an manchen Stellen intensiver sein wie an anderen – es wird immer eine nahezu perfekte Einsaugung erreicht.“

Unter ferner liefen Luftturbulenzen und Temperaturschwankungen können dem System nichts anhaben, wie Experimente an dieser Hebräischen Universität in Jerusalem zeigten. Dies beweist, dass es sich um kombinieren robusten Folge handelt, dieser vielfältige Anwendungen verspricht – dieser vorgestellte System könnte wie sogar gut probat sein, um Lichtsignale, die zusammen mit dieser Übertragung durch die Erdatmosphäre verzerrt werden, perfekt einzufangen. Welcher neue Methode könnte sekundär von großem praktischem Zweck sein, um Lichtwellen von schwachen Lichtquellen (wie entfernten Sternen) optimal in kombinieren Messeinheit einzuspeisen.

Forschungsbericht: Massiv entarteter kohärenter perfekter Absorber für jedes irgendwelche Wellenfronten

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