Lasern är den perfekta ljuskällan – så länge den är försedd med energi, det genererar ljus från en specifik, väldefinierad färg. Dock, det är också möjligt att skapa dess motsats – ett föremål som perfekt absorberar ljus av en viss färg och sprider energin nästan helt.

Forskare vid TU Wien (Wien) har utvecklat en metod för att använda denna effekt, även i mycket komplicerade system där ljusvågor slumpmässigt sprids i alla riktningar. Metoden utvecklades i Wien med hjälp av datasimuleringar, och bekräftades av experiment i samarbete med universitetet i Nice. Detta öppnar nya möjligheter för alla tekniska discipliner som har med vågfenomen att göra. Den nya metoden har nu publicerats i tidskriften Natur .

Slumpmässiga strukturer som absorberar vågor

"Varje dag har vi att göra med vågor som sprids på ett komplicerat sätt - tänk på en mobiltelefonsignal som reflekteras flera gånger innan den når din mobiltelefon, "säger professor Stefan Rotter från Institutet för teoretisk fysik vid TU Wien." De så kallade slumpmässiga lasrarna använder sig av denna multipla spridning. Sådana exotiska lasrar har en komplicerad, slumpmässig inre struktur och utstrålar en mycket specifik, individuellt ljusmönster när det tillförs energi. "

Med matematiska beräkningar och datasimuleringar, Rotter team kunde visa att denna process också kan vändas i tid. Istället för en ljuskälla som avger en specifik våg beroende på dess slumpmässiga inre struktur, det är också möjligt att bygga den perfekta absorbenten, som helt sprider en specifik typ av våg, beroende på dess karakteristiska inre struktur, utan att låta någon del av det fly. Detta kan tänkas som att göra en film av en normal laser som skickar ut laserljus, och spela det omvänt.

"På grund av denna tidsomvändningsanalogi till en laser, denna typ av absorber kallas en anti-laser, "säger Stefan Rotter." Hittills har sådana anti-lasrar har bara realiserats i endimensionella strukturer, som träffas av laserljus från motsatta sidor. Vårt tillvägagångssätt är mycket mer generellt. Vi kunde visa att även godtyckligt komplicerade strukturer i två eller tre dimensioner perfekt kan absorbera en specialanpassad våg. På det sättet, konceptet kan användas för ett brett spektrum av applikationer."

Den perfekta vågabsorbenten

Forskningsprojektets huvudresultat:För varje objekt som absorberar vågor tillräckligt starkt, en viss vågform kan hittas, som absorberas perfekt av detta föremål. "Dock, det skulle vara fel att föreställa sig att absorbatorn bara måste göras tillräckligt stark så att den helt enkelt sväljer varje inkommande våg, "säger Stefan Rotter." Istället det finns en komplex spridningsprocess där den infallande vågen delar sig i många partiella vågor, som sedan överlappar och interfererar med varandra på ett sådant sätt att ingen av delvågorna kan komma ut i slutet." En svag absorbator i antilasern räcker — till exempel en enkel antenn som tar in energin från elektromagnetiska vågor.

För att testa deras beräkningar, laget arbetade tillsammans med universitetet i Nice. Kevin Pichler, den första författaren till Natur offentliggörande, som för närvarande arbetar med sin avhandling i teamet av Stefan Rotter, tillbringade flera veckor med professor Ulrich Kuhl vid universitetet i Nice för att omsätta teorin i praktiken med hjälp av mikrovågsexperiment. "Faktiskt, det är lite ovanligt att en teoretiker utför experimentet, "säger Kevin Pichler." För mig, dock, Det var särskilt spännande att få arbeta med alla aspekter av detta projekt, från det teoretiska konceptet till dess implementering i laboratoriet. "

Den laboratoriumbyggda "Random Anti-Laser" består av en mikrovågskammare med en central absorberande antenn, omgiven av slumpmässigt arrangerade tefloncylindrar. Liknar stenar i en vattenpöl, vid vilka vattenvågor avböjs och reflekteras, dessa cylindrar kan sprida mikrovågor och skapa ett komplicerat vågmönster. "Först skickar vi mikrovågor utifrån genom systemet och mäter hur exakt de kommer tillbaka, "förklarar Kevin Pichler." Att veta detta, den slumpmässiga anordningens inre struktur kan karakteriseras fullt ut. Då är det möjligt att beräkna den våg som helt sväljs av centralantennen vid rätt absorptionsstyrka. Faktiskt, när du implementerar detta protokoll i experimentet, vi finner en absorption på cirka 99,8 % av den infallande signalen."

Anti-laser-teknik är fortfarande i ett tidigt skede, men det är lätt att tänka på potentiella tillämpningar. "Tänka, till exempel, att du kan justera en mobiltelefonsignal exakt på rätt sätt, så att den absorberas perfekt av antennen i din mobiltelefon, säger Stefan Rotter. Även inom medicin, vi hanterar ofta uppgiften att transportera vågenergi till en mycket specifik punkt - som chockvågor som krossar en njursten."