Den blå kurvan visar den förväntade nedgången av energitäthet kontra penetrationsdjup, den röda är den förbättrade kurvan som introducerar mycket mer energi inuti lagret
Ljus som sprider sig i ett lager av spridande nanopartiklar, visar principen för diffusion - som tepartiklar i varmt vatten. Det djupare ljuset tränger in i lagret, desto lägre energitäthet. Forskare från University of Twentes Complex Photonics Group, dock, lyckas vända denna fallande diffusionskurva till en stigande, genom att manipulera det infallande ljuset. Mer ljusenergi inuti ett ogenomskinligt lager, är resultatet, vilket skulle kunna leda till solceller eller lysdioder med bättre utbyte. Resultaten publiceras i New Journal of Physics .
Även i ett medium som kännetecknas av slumpmässighet, som en samling oorganiserade partiklar som alla sprider ljus, nettospridningen av ljus är enhetlig. Detta är typiskt för diffusion, ett fenomen som fysiker som Albert Einstein och Adolf Fick redan var intresserade av. Vi kan observera det runt omkring oss.
Slumpen i UT-experimenten består av ett lager av vit färg. Ljus som faller på samlingen av zinkoxidpartiklar som färgen är gjord av, kommer att spridas av partiklarna. Det kommer att börja störa ljuset, spridda från närliggande partiklar. Ändå, det kommer att spridas ut på ett enhetligt sätt. Teoretiskt sett, energitätheten kommer att visa ett linjärt fall med penetrationsdjup. Forskarna från Complex Photonics Group (MESA+ Institute for Nanotechnology) tog inte detta för givet och arbetade på ett sätt att vända den fallande kurvan till en stigande, vilket ökar energinivån inuti lagret. Efter den fundamentala diffusionskurvan, energitätheten stiger till hälften av lagret och faller sedan av.
Experimentell uppställning för att mäta ljus som faller på och rör sig genom ett ogenomskinligt lager, med hjälp av fluorescerande mikroskopi för att övervaka resultaten.
Men hur gör man det utan att ändra lagret? Och hur ser man inuti det ogenomskinliga lagret för att kontrollera om det fungerar? För det första, forskarna ändrar inte lagret, men ljuset. Deras "vågfrontsformning"-teknik som utvecklades tidigare, lämnar vägen öppen för att programmera ljusvågorna på ett sådant sätt att de väljer de bästa vägarna och visar en ljus ljusfläck på baksidan av lagret. Denna teknik är också lämplig för aktiv kontroll av diffusionsprocessen. Men hur bevisar man att ljuset rör sig enligt den önskade kurvan? Forskarna blandar färgpartiklarna med fluorescerande sfärer i nanostorlek som fungerar som reportrar inuti lagret. De lokala energinivåerna inuti lagret visas av de fluorescerande sfärerna som avger ljus, med en mycket känslig kamera på baksidan av lagret som mäter den totala fluorescerande intensiteten.
De uppmätta energinivåerna överensstämmer i hög grad med den förbättrade diffusionskurvan. Således, betydligt mer ljusenergi kan matas in i ett spridningsmedium. I solceller, mer ljus skulle vara tillgängligt för omvandlingen till elektrisk energi. Vita lysdioder kan göras mer kostnadseffektiva, och bättre lasrar med högt utbyte kan utvecklas. I medicinska tillämpningar, bättre kontroll av belysningen av vävnad är möjlig. För det första, forskarna bevisar att det är möjligt att "lura" ljus inuti komplexa medier, vilket är en ganska utmaning.
