Inducerad transparens:Den exakta kontrollen av energiflödet (indikerat av glödande partiklar i dimman) gör att det konstgjorda materialet blir helt transparent för den optiska signalen. Kredit:Andrea Steinfurth / University of Rostock
Rymden, den sista gränsen. Rymdskeppet Enterprise fullföljer sitt uppdrag att utforska galaxen, när alla kommunikationskanaler plötsligt stängs av av en ogenomtränglig nebulosa. I många avsnitt av den ikoniska TV-serien måste det tappra teamet "tech the tech" och "science the science" inom bara 45 minuter efter sändning för att underlätta deras flykt från denna eller liknande situation innan sluttexterna rullar. Trots att de spenderat betydligt längre tid i sina laboratorier har ett team av forskare från universitetet i Rostock lyckats utveckla ett helt nytt tillvägagångssätt för design av konstgjorda material som kan överföra ljussignaler utan några förvrängningar med hjälp av exakt avstämda energiflöden. De har publicerat sina resultat i Science Advances .
"När ljus sprids i ett inhomogent medium, genomgår det spridning. Denna effekt förvandlar snabbt en kompakt, riktad stråle till ett diffust sken och är bekant för oss alla från både sommarmoln och höstdimma", professor Alexander Szameit vid Institutet för Fysik vid universitetet i Rostock beskriver utgångspunkten för hans teams överväganden. Noterbart är det den mikroskopiska densitetsfördelningen av ett material som dikterar detaljerna för spridning. Szameit fortsätter, "Den grundläggande idén med inducerad transparens är att dra fördel av en mycket mindre känd optisk egenskap för att rensa en väg för strålen, så att säga."
Denna andra egenskap, känd inom fotonikområdet under den mystiska titeln icke-Hermiticitet, beskriver flödet av energi, eller, mer exakt, förstärkningen och dämpningen av ljus. Intuitivt kan de associerade effekterna tyckas vara oönskade - särskilt blekningen av en ljusstråle på grund av absorption skulle verka mycket kontraproduktiv för uppgiften att förbättra signalöverföringen. Icke desto mindre har icke-hermitiska effekter blivit en nyckelaspekt av modern optik, och ett helt forskningsfält strävar efter att utnyttja det sofistikerade samspelet mellan förluster och förstärkning för avancerade funktioner.
"Detta tillvägagångssätt öppnar helt nya möjligheter", rapporterar doktoranden Andrea Steinfurth, första författare till tidningen. När det gäller en ljusstråle blir det möjligt att selektivt förstärka eller dämpa specifika delar av en stråle på mikroskopisk nivå för att motverka eventuell degradering. För att stanna kvar i bilden av nebulosan skulle dess ljusspridande egenskaper kunna undertryckas helt. "Vi modifierar aktivt ett material för att skräddarsy det för bästa möjliga överföring av en specifik ljussignal", förklarar Steinfurth. "För detta ändamål måste energiflödet kontrolleras exakt, så att det kan passa ihop med materialet och signalen som pusselbitar." I nära samarbete med partners från Wiens tekniska universitet har forskarna i Rostock framgångsrikt tacklat denna utmaning. I sina experiment kunde de återskapa och observera de mikroskopiska interaktionerna mellan ljussignaler och deras nyutvecklade aktiva material i nätverk av kilometerlånga optiska fibrer.
Faktum är att inducerad transparens bara är en av de fascinerande möjligheterna som uppstår från dessa fynd. Om ett föremål verkligen ska fås att försvinna räcker det inte med att förhindra spridning. Istället måste ljusvågor komma fram bakom den helt ostört. Ändå, även i rymdens vakuum, säkerställer diffraktion ensam att varje signal oundvikligen kommer att ändra sin form. "Vår forskning ger receptet för att strukturera ett material på ett sådant sätt att ljusstrålar passerar som om varken materialet eller själva området av utrymme det upptar existerade. Inte ens romulanernas fiktiva cloaking-anordningar kan göra det", säger medförfattare Dr. Matthias Heinrich, som cirklar tillbaka till Star Treks slutliga gräns.
Resultaten som presenteras i detta arbete representerar ett genombrott inom grundläggande forskning om icke-hermitisk fotonik och ger nya tillvägagångssätt för aktiv finjustering av känsliga optiska system, till exempel sensorer för medicinskt bruk. Andra potentiella tillämpningar inkluderar optisk kryptering och säker dataöverföring, samt syntes av mångsidiga konstgjorda material med skräddarsydda egenskaper. + Utforska vidare
