Of het nu in fotosynthese of in een fotovoltaïsch systeem is:als u licht efficiënt wilt gebruiken, moet u het zo volledig mogelijk absorberen. Dit is echter lastig als de absorptie moet plaatsvinden in een dun laagje materiaal dat normaal gesproken een groot deel van het licht doorlaat.

Nu hebben onderzoeksteams van de TU Wien en van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem (HU) een verrassende truc gevonden die ervoor zorgt dat een lichtstraal zelfs in de dunste lagen volledig wordt geabsorbeerd:ze bouwden een "lichtval" rond de dunne laag met behulp van spiegels en lenzen, waarbij de lichtstraal in een cirkel wordt gestuurd en vervolgens op zichzelf wordt gelegd - precies zo dat de lichtstraal zichzelf blokkeert en het systeem niet meer kan verlaten. Het licht heeft dus geen andere keuze dan te worden geabsorbeerd door de dunne laag - er is geen andere uitweg.

Deze absorptie-amplificatiemethode, die nu is gepresenteerd in het wetenschappelijke tijdschrift Science , is het resultaat van een vruchtbare samenwerking tussen de twee teams:de aanpak werd voorgesteld door Prof. Ori Katz van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem en uitgewerkt met Prof. Stefan Rotter van de TU Wien; het experiment werd uitgevoerd door het laboratoriumteam in Jeruzalem en de theoretische berekeningen kwamen van het team in Wenen.

"Het absorberen van licht is gemakkelijk wanneer het een vast object raakt", vertelde prof. Stefan Rotter van het Instituut voor Theoretische Fysica van de TU Wien. "Een dikke zwarte wollen trui kan gemakkelijk licht absorberen. Maar bij veel technische toepassingen heb je maar een dunne laag materiaal en wil je dat het licht precies in deze laag wordt geabsorbeerd."

Er zijn al pogingen gedaan om de opname van materialen te verbeteren:het materiaal kan bijvoorbeeld tussen twee spiegels worden geplaatst. Het licht wordt heen en weer gereflecteerd tussen de twee spiegels, gaat telkens door het materiaal en heeft dus een grotere kans om geabsorbeerd te worden. Voor dit doel mogen de spiegels echter niet perfect zijn - een ervan moet gedeeltelijk transparant zijn, anders kan het licht helemaal niet in het gebied tussen de twee spiegels doordringen. Maar dit betekent ook dat wanneer het licht deze gedeeltelijk transparante spiegel raakt, een deel van het licht verloren gaat.

Om dit te voorkomen is het mogelijk om op een uitgekiende manier gebruik te maken van de golfeigenschappen van licht. "In onze aanpak zijn we in staat om alle terugkaatsingen door golfinterferentie op te heffen", aldus HU's prof. Ori Katz. Helmut Hörner, van de TU Wien, die zijn proefschrift aan dit onderwerp wijdde, legt uit:"Ook bij onze methode valt het licht eerst op een gedeeltelijk transparante spiegel. Als je eenvoudig een laserstraal op deze spiegel stuurt, wordt deze in twee delen gesplitst :Het grootste deel wordt gereflecteerd, een kleiner deel dringt door de spiegel."

Dit deel van de lichtstraal die de spiegel binnendringt, wordt nu door de absorberende materiaallaag gestuurd en vervolgens met lenzen en een andere spiegel teruggestuurd naar de gedeeltelijk transparante spiegel. "Het cruciale is dat de lengte van dit pad en de positie van de optische elementen zo worden aangepast dat de terugkerende lichtstraal (en de meervoudige reflecties tussen de spiegels) de lichtstraal die direct op de eerste spiegel wordt gereflecteerd, precies opheft ", zeiden Yevgeny Slobodkin en Gil Weinberg, afgestudeerde studenten van de HU die het systeem in Jeruzalem hebben gebouwd.

De twee deelbundels overlappen elkaar zodanig dat het licht zichzelf als het ware blokkeert:hoewel de gedeeltelijk transparante spiegel alleen al een groot deel van het licht zou reflecteren, wordt deze reflectie onmogelijk gemaakt doordat het andere deel van de bundel dat door de systeem voordat u terugkeert naar de gedeeltelijk transparante spiegel.

Daarom wordt de spiegel, die vroeger gedeeltelijk transparant was, nu volledig transparant voor de invallende laserstraal. Hierdoor ontstaat er eenrichtingsverkeer voor het licht:de lichtstraal kan het systeem binnenkomen, maar kan dan niet meer ontsnappen door de superpositie van het gereflecteerde deel en het in een cirkel door het systeem gevoerde deel. Het licht heeft dus geen andere keuze dan te worden geabsorbeerd - de hele laserstraal wordt opgeslokt door een dunne laag die anders het grootste deel van de straal zou doorlaten.

"Het systeem moet precies worden afgestemd op de golflengte die je wilt absorberen", legt Rotter uit. "Maar afgezien daarvan zijn er geen beperkende vereisten. De laserstraal hoeft geen specifieke vorm te hebben, hij kan op sommige plaatsen intenser zijn dan op andere - er wordt altijd een bijna perfecte absorptie bereikt."

Zelfs luchtturbulentie en temperatuurschommelingen kunnen het mechanisme niet schaden, zoals werd aangetoond in experimenten aan de Hebreeuwse Universiteit in Jeruzalem. Dit bewijst dat het een robuust effect is dat een breed scala aan toepassingen belooft - het gepresenteerde mechanisme zou bijvoorbeeld zelfs zeer geschikt kunnen zijn om lichtsignalen die tijdens transmissie door de atmosfeer van de aarde worden vervormd, perfect op te vangen. De nieuwe aanpak zou ook van groot praktisch nut kunnen zijn om lichtgolven van zwakke lichtbronnen (zoals verre sterren) optimaal naar een detector te voeren. + Verder verkennen

Natuurkundigen ontwikkelen een perfecte lichtval