Fysisk granskning X rapporterade nyligen om en ny optisk resonator från Technion - Israel Institute of Technology som har en aldrig tidigare skådad resonansförbättring. Utvecklad av doktoranden Jacob Kher-Alden under handledning av professor Tal Carmon, den Technion-födda resonatorn har rekordfunktioner inom resonansförbättring.

En resonator är en enhet som fångar upp vågor och förstärker eller ekar dem genom att reflektera dem från vägg till vägg i en process som kallas resonansförbättring. I dag, det finns komplexa och sofistikerade resonatorer av olika slag över hela världen, liksom enkla resonatorer som är bekanta för oss alla. Exempel på detta inkluderar en gitarrs resonatorbox, som förstärker ljudet från strängarna, eller flöjtens kropp, vilket förstärker ljudet som skapas i instrumentets munstycke.

Gitarr och flöjt är akustiska resonatorer där ljudet ekar mellan resonatorns väggar. Inom fysiken, det finns också optiska resonatorer, som i laserenheter. En resonator är, faktiskt, en av de viktigaste enheterna inom optik:"Det är optikens transistor, "sade prof. Carmon.

Generellt, resonatorer behöver minst två speglar för att multiplicera reflekterat ljus (precis som på frisörsalongen). Men de kan också rymma mer än två speglar. Till exempel, tre speglar kan användas för att reflektera ljuset i en triangulär form, fyra på en ruta, och så vidare. Det är också möjligt att ordna många speglar i nästan cirkulär form så att ljuset cirkulerar. Ju fler speglar i ringen, ju närmare strukturen blir den för en perfekt cirkel.

Men detta är inte slutet på historien, eftersom ringen begränsar ljusets rörelse till ett enda plan. Lösningen är en sfärisk struktur, vilket gör att ljus kan rotera på alla plan som passerar genom cirkelns mitt, oavsett deras lutning. Med andra ord, i tredimensionellt utrymme.

I rörelsen från fysik till teknik, frågan uppstår om hur man producerar en resonator så nära en sfär som är ren, slät, och ger det maximala antalet rotationer för optimal resonans. Det är en utmaning som engagerat många forskargrupper och gett, bland andra, en liten glasresonator i form av antingen en sfär eller ring, som hålls bredvid en smal optisk fiber. Ett exempel på detta presenterades av Prof. Carmon för två år sedan i Natur .

Här, det fanns fortfarande utrymme för förbättringar, som även stammen som håller i sfären skapar en snedvridning i sin sfäriska form. Därav, önskan föddes att producera en flytande resonator - en resonator som inte hålls av något materiellt föremål.

Världens första mikroresonator demonstrerades på 1970-talet av Arthur Ashkin, vinnare av Nobelpriset i fysik 2018, som presenterade en flytande resonator. Trots prestationen, forskningsinriktningen övergavs snart. Nu, inspirerad av Ashkins banbrytande arbete, den nya flytande resonatorn uppvisar en resonansförbättring med 10, 000, 000 cirkulationer av ljus, jämfört med cirka 300 cirkulationer i Ashkins resonator.

Den svävande resonatorn

I en resonator av spegel som reflekterar 99,9999% av ljuset, ljuset kommer att rotera ungefär en miljon varv eller "rundturer". Enligt professor Carmon, "Om vi ​​tar ljus som har en effekt på en watt, liknande ljuset från blixt på en mobiltelefon, och vi låter den rotera fram och tillbaka mellan dessa speglar, ljuseffekten kommer att förstärkas till cirka en miljon watt - effekten är lika med elförbrukningen i ett stort grannskap i Haifa, Israel. Vi kan använda det höga ljuset, till exempel, att stimulera olika ljus-materia-interaktioner i regionen mellan speglarna. "

Faktiskt, en miljon watt består av samma enda ljuspartikel som rör sig fram och tillbaka genom materia, men saken "vet" inte att det är samma ljuspartikel som rör sig upprepade gånger genom ämnet, eftersom fotoner inte går att skilja. Det "bara" känner den stora kraften. I en anordning av denna typ är det också viktigt att miljoner watt passerar genom ett litet tvärsnitt. Verkligen, enheten som utvecklats av Kher-Alden leder ljus i 10 miljoner cirkulära resor, där ljuset är fokuserat på ett strålområde 10, 000 gånger mindre än tvärsnittsytan av ett hår. Genom att göra detta, Kher-Alden har uppnått ett världsrekord i resonansförbättring av ljus.

Resonatorn som utvecklats av Technion-forskare är gjord av en liten droppe mycket transparent olja med cirka 20 mikron i diameter-en fjärdedel av tjockleken på en hårstrå. Med hjälp av en teknik som kallas 'optisk pincett, 'droppen hålls i luften med hjälp av ljus. Denna teknik används för att hålla droppen i luften utan materialstöd - vilket kan skada dess sfäriska form eller smutsa ned droppen. Enligt professor Carmon, "Denna geniala optiska uppfinning, den optiska tången, används mycket inom biovetenskap, kemi, mikroflödesenheter och mer, och det är just de optiska forskarna som knappast använder den - lite som skomakaren som går barfota. I föreliggande studie, vi visar att optisk pincett har enorm potential inom optisk teknik. Det är möjligt, till exempel, att bygga en optisk krets med flera optiska pincett som rymmer många resonatorer och styr resonatorernas position och deras form efter behov. "

Droppens små dimensioner förbättrar också sfärisk integritet, eftersom tyngdkraften knappast snedvrider den, eftersom den är marginell i dessa dimensioner i förhållande till ytspänningskrafterna vid vätskeytan som ger den en sfärisk form. I det unika system som utvecklats av Technion -forskare, oljedroppen hålls av en laserstråle och tar emot ljuset från en annan fiber, som också tar emot ljuset igen efter att det har passerat genom resonatorn.

Baserat på egenskaperna hos ljuset som återvänder till fibern, forskare kan veta vad som hände inuti droppen. Till exempel, de kan stänga av ljuset som kommer in i resonatorn och undersöka hur länge en foton kommer att överleva i resonatorn innan den bleknar. Baserat på dessa data och ljusets hastighet, de kan beräkna antalet rotationer fotonen gör (i genomsnitt) i en droppe. Resultaten visar ett världsrekord i ljusförstärkning:10, 000, 000 varv som passerar genom en tvärsnittsyta på cirka en mikron i kvadrat, öka ljuset 10 miljoner gånger.