Ljuset är mångsidigt. Med andra ord, det visar olika egenskaper när du reser genom olika typer av material. Denna fastighet har utforskats med olika tekniker, men det sätt på vilket ljus interagerar med material måste manipuleras för att få önskad effekt. Detta görs med hjälp av speciella enheter som kallas ljusmodulatorer, som har förmågan att ändra ljusets egenskaper.

En sådan egendom, kallade Pockels -effekten, ses när ett elektriskt fält appliceras på mediet genom vilket ljus färdas. I vanliga fall, ljus böjer sig när det träffar något medium, men under Pockels -effekten, brytningsindexet för mediet (ett mått på hur mycket ljuset böjer) ändras proportionellt mot det applicerade elektriska fältet. Denna effekt har tillämpningar inom optisk teknik, optisk kommunikation, displayer och elektriska sensorer. Men, exakt hur denna effekt uppstår i olika material är inte klart, gör det svårt att till fullo utforska dess potential.

I en genombrottstudie publicerad i OSA -kontinuum , ett team av forskare under ledning av prof Eiji Tokunaga vid Tokyo University of Science belyste mekanismen för Pockels -effekten i en ny typ av ljusmodulator. Tills nyligen, denna effekt hade observerats i endast en speciell typ av kristaller, vilket är dyrt och därför svårt att använda. För tolv år sedan, Prof Tokunaga och hans team observerade denna effekt för första gången i det översta lagret (även kallat gränssnittsskiktet) av vatten när det är i kontakt med en elektrod. Effekten observeras inte i huvuddelen av vatten.

Även om Pockels -koefficienten (ett mått på Pockels -effekten) var en storleksordning större, en mycket känslig detektor krävdes eftersom effekten genererades endast i det tunna gränssnittsskiktet. Dessutom, inte ens dess mekanism var tydligt förstådd, komplicerar processen ytterligare. Prof Tokunaga och hans team ville hitta en lösning, och efter många prövningar, de lyckades äntligen. Diskuterar hans motivation för studien, Prof Tokunaga säger, "Det är svårt att mäta den elektrooptiska signalen med vatten som medium eftersom den bara förekommer i ett tunt lager. Därför, vi ville hitta ett sätt att extrahera en stor signal från mediet som inte skulle kräva högkänsliga mätningar och skulle vara lättare att använda. "

Att göra detta, forskarna skapade en installation med en transparent elektrod på en glasyta i vatten, och ett elektriskt fält applicerades på det. Gränssnittsskiktet (även kallat det elektriska dubbelskiktet, eller EDL) är bara några nanometer tjock och har andra elektrokemiska egenskaper än resten av vattnet. Det är också den enda delen av vattnet där Pockels -effekten kan observeras under ett elektriskt fält. Forskarna använde begreppet total reflektion för att skapa en stor vinkel vid gränssnittet mellan vatten och elektrod. De observerade att när ljuset rör sig genom elektroden och går in i EDL, förändringar i brytningsindex för båda skikten kan modifiera den reflekterade signalen.

Eftersom brytningsindexet i den transparenta elektroden är större än för både vatten och glas (1,33 och 1,52, respektive), mängden ljus som reflekteras i båda ändar ökar, vilket orsakar en mer förstärkt Pockels -effekt. Detta var viktigt eftersom en stor, mer förbättrad signal skulle innebära att även lågkänsliga enheter kan användas för att mäta den. Dessutom, eftersom den experimentella installationen inte är komplex, bestående av endast en transparent elektrod doppad i vatten innehållande elektrolyter, denna metod är mycket enklare att använda. För att inte tala om, vatten är ett billigt medium, vilket resulterar i en kostnadseffektiv process totalt sett. Utarbeta dessa fynd, Prof Tokunaga säger, "Genom vår teknik, vi observerade ljusmodulation med en maximal intensitetsförändring på 50 procent proportionell mot den applicerade växelspänningen. "

Uppmuntras av dessa observationer, Prof Tokunaga och hans team ville verifiera dessa resultat med hjälp av matematiska beräkningar. De blev förvånade över att de teoretiska beräkningarna stämde överens med de experimentella resultaten. Dessutom, de observerade att teoretiskt sett en 100 procent ljusintensitetsmodulering kan uppnås, vilket var spännande eftersom det bekräftade deras fynd. Prof Tokunaga säger, "Resultaten var överraskande, men det var ännu mer förvånande när vår teoretiska analys visade att de kunde förklaras perfekt med befintlig optisk kunskap. Resultaten av denna forskning har inte bara tillämplighet på unika ljusmoduleringselement och gränssnittssensorer som använder vatten, men den upptäckta förbättringsprincipen öppnar möjligheten att använda alla gränssnitt som finns universellt. "

Denna nya metod för att modulera ljus fungerar som ett bättre alternativ till befintliga, särskilt på grund av fördelar som låg kostnad och enklare upptäckt. Prof Tokunaga och hans team tror att genom att avslöja nya mekanismer för ljusmodulation, deras studie kommer att öppna dörrar för mer avancerad forskning inom detta område. Prof Tokunaga säger, "Vår unika ljusmoduleringsteknik är utan motstycke och har många möjliga tillämpningar eftersom den visar ett generellt sätt att extrahera en stor Pockels -signal från ett universellt existerande gränssnitt. Dessutom har vi hoppas att vår studie kommer att föda ett nytt forskningsområde inom optik, och därigenom revolutionera fältet. "