Dålig trådlös mottagning, bruset i radiosignalen eller dålig sikt i dimman – alla dessa störningar har att göra med att vågor som synligt ljus eller mikrovågssignaler avleds och reflekteras av många oordnade hinder. TU Wien i Wien (Österrike) och universitetet i Rennes (Frankrike) har nu tillsammans utvecklat en överraskande metod för att helt eliminera vågreflektioner.

Metoden möjliggör beräkning av en skräddarsydd antireflexstruktur. Den kan till exempel användas för att designa ytterligare ett lager på en vägg som endast delvis är genomsläpplig för en trådlös signal så att hela signalen kan kanaliseras genom väggen utan reflektioner.

Hittills var det inte ens klart på ett teoretiskt plan att något sådant överhuvudtaget var möjligt – nu kunde forskargruppen presentera en beräkningsmetod för detta och testade den också framgångsrikt i ett experiment:mikrovågor skickades genom ett komplex, oordnad labyrint av hinder, sedan beräknades den matchande antireflekterande strukturen och placerades framför hindren i experimentet – reflektionen kunde fås att försvinna nästan helt:ingen av vågorna återvände till sidan från vilken de injicerades.

En antireflexbeläggning för nästan allt

"Du kan tänka dig att det liknar den antireflekterande beläggningen på dina glasögon", säger prof. Stefan Rotter från Institutet för teoretisk fysik vid TU Wien. "Du lägger till ett extra lager på glasögonens yta, vilket sedan gör att ljusvågor passerar bättre till dina ögon än tidigare – reflektionen minskar."

Med konventionella glasögon är detta fortfarande relativt enkelt och samtidigt standardteknik. Det är mycket svårare när man har att göra med ett oordnat medium där en våg upprepade gånger sprids och avböjes tills den hittar sin väg ut ur en sådan labyrint via komplicerade vägar. En grumlig glasruta eller en sockerbit faller inom denna kategori – eller till och med en betongvägg som en radiosignal träffar på. Vågorna är utspridda på många punkter så att bara en del av dem kommer igenom, resten reflekteras eller absorberas i väggen.

Men som det nu visar sig, även med komplex vågspridning, är det möjligt att hitta en "beläggning" som förhindrar all reflektion. "Först måste du helt enkelt skicka vissa vågor genom mediet och mäta exakt på vilket sätt dessa vågor reflekteras av materialet", förklarar Michael Horodynski (TU Wien), den första författaren till den aktuella publikationen. "Vi kunde visa att denna information kan användas för att beräkna en motsvarande kompenserande struktur för vilket medium som helst som sprider vågor på ett komplext sätt, så att kombinationen av båda medierna tillåter vågor att passera igenom helt. Nyckeln till detta är en matematisk metod som vi utvecklade för att beräkna den exakta formen på detta antireflekterande skikt."

Experiment med mikrovågor

I den experimentella implementeringen av denna nya metod som genomfördes i Rennes, skickades mikrovågor först genom en metallisk vågledare där vågorna sprids av dussintals små föremål gjorda av metall och teflon placerade helt slumpmässigt och på ett oordnat sätt. Endast ungefär hälften av mikrovågsstrålningen når andra sidan, resten reflekteras.

Efter att ha exakt mätt spridningsbeteendet för detta system, var det möjligt att använda den nyutvecklade metoden för att beräkna vilka ytterligare spridningspunkter som bildar ett perfekt "antireflekterande lager" för just detta slumpmässiga system.

Och faktiskt:om vågor först skickas genom det antireflekterande området med de matematiskt optimerade ytterligare spridningspunkterna och sedan färdas därifrån genom regionen med de slumpmässigt arrangerade spridarna, hamnar de till hundra procent på andra sidan – ingen våg återvänder till utgångspunkten och reflektionen är försumbar; och detta gäller för alla vågformer som träffar den antireflekterande strukturen.

Från trådlösa signaler till mikroskopet

Att det är möjligt att kompensera för vågspridning med ytterligare spridning öppnar möjligheter inom väldigt olika områden:tekniken skulle kunna vara användbar inte bara för bättre trådlös mottagning, utan även för avbildningstekniker, till exempel inom biofysik. Vågdynamik och vågspridning kommer också att spela en stor roll i 6G, nästa generations mobilkommunikation efter 5G:man skulle kunna minska intensiteten på mobilradiosignaler om man lyckas skicka dem längs lämpliga vägar från sändaren till mottagaren med så lite reflektion som möjligt. + Utforska vidare

Forskare skapar ljusvågor som kan penetrera även ogenomskinliga material