Een wijdverbreid begrip van elektromagnetische straling is op de proef gesteld in nieuw gepubliceerd onderzoek onder leiding van de Universiteit van Strathclyde.

Uit de studie bleek dat de normale directe correspondentie tussen de bandbreedtes van de huidige bron en de uitgezonden straling kan worden verbroken. Dit werd bereikt door smalbandige straling met hoge efficiëntie te extraheren, zonder de oscillatie van de huidige smalband te maken.

De vondst leverde smalbandige lichtbronnen op in media waar elektromagnetische straling normaal niet mogelijk zou zijn. Het is een krachtig hulpmiddel voor wetenschappers waarmee ze de fijne kneepjes kunnen begrijpen van hoe materialen, of zelfs biologische moleculen, gedragen onder verschillende omstandigheden, die een grote impact heeft op het leven van mensen door de ontwikkeling van nieuwe producten en medische behandelingen.

Het onderzoek, gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten , ook betrokken onderzoekers van het Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) en het Gwangju Institute of Science and Technology (GIST), beide in Zuid-Korea.

Professor Dino Jaroszynski, van Strathclyde's Department of Physics, leidde de studie. Hij zei:"Coherente lichtbronnen zoals lasers hebben veel toepassingen, van communicatie tot het onderzoeken van de structuur van materie. De eenvoudigste bron van coherente elektromagnetische straling is een oscillerende elektrische stroom in een antenne. Echter, er zijn veel andere apparaten die gebaseerd zijn op deze basiswetten van de natuurkunde, zoals de vrije-elektronenlaser, die coherente röntgenstraling produceert, of magnetrons gevonden in magnetrons.

"Onze studie heeft aangetoond dat van sommige veelvoorkomende media met interessante optische eigenschappen kan worden geprofiteerd als we inbedden, of begraven, daarin een oscillerende stroombron. Media zoals plasma, halfgeleiders en fotonische structuren hebben een 'cut-off', waar voortplanting van elektromagnetische straling met frequenties lager dan de 'cut-off'-frequentie niet mogelijk is; we merkten dat de stralingsimpedantie bij de cut-off wordt verhoogd.

"Een gevolg hiervan is dat, voor een breedbandstroombron ondergedompeld in dit type dispersief medium, de 'mode' van de afsnijfrequentie wordt selectief verbeterd door de wet van Ohm, resulterend in emissie met smalle bandbreedte. Het merkwaardige is dat nieuwe fysica nog steeds verborgen moet zijn in het klassieke afsnijgedrag; in ons onderzoek, we ontdekten een verborgen gezicht van de afsnijding en realiseerden een nieuw paradigma van smalbandige lichtbronnen in media die normaal gesproken geen elektromagnetische straling zouden toestaan ​​zich te verspreiden. Dit is een opmerkelijk eenvoudig idee, gebaseerd op een eenvoudige natuurkundetheorie die over het hoofd lijkt te worden gezien.

"Dit is een zeer opwindende theoretische ontdekking die voortkomt uit een zeer vruchtbare cross-continentale samenwerking. Het laat zien dat we altijd een open geest moeten houden en zelfs zeer basale aannames in vraag moeten stellen. We hopen dit fenomeen te demonstreren in het in Strathclyde gevestigde Scottish Centre voor de toepassing van op plasma gebaseerde versnellers; er zijn talloze toepassingen van elektromagnetische straling en de voorgestelde bron zou een grote impact moeten hebben als we het experimenteel kunnen aantonen."

Professor Min Sup Hur bij UNIST, Republiek Zuid-Korea, die het werk van UNIST leidt, zei:"Deze nieuwe ontdekking is wetenschappelijk interessant, omdat het ons ertoe brengt het fenomeen elektromagnetische straling vanuit een heel ander gezichtspunt te bekijken. We hopen dat de vruchtbare internationale samenwerking, die ons tot deze theoretische ontdekking bracht, zal doorgaan met de experimentele demonstratie van het idee."

Moderne lichtbronnen, of, algemener, elektromagnetische bronnen die als wetenschappelijke instrumenten worden gebruikt, vereisen een goede coherentie, monochromaticiteit, en hoog emissievermogen. Coherentie en smalle bandbreedte - of monochromaticiteit - zijn belangrijke eigenschappen van elektromagnetische straling waarmee het kan worden gebruikt om veranderingen in de structuur van materialen die onderhevig zijn aan stimuli waar te nemen, zoals een korte intense laserpuls; materiaaleigenschappen worden afgeleid uit veranderingen die blijken uit pompsondestudies. Een analogie zou zijn om een ​​film te maken door veel time-lapse-snapshots samen te stellen om de veranderingen te animeren die in het materiaal plaatsvinden nadat het is gestimuleerd.

De grootste uitdaging is het monochromatisch maken van hoogvermogenbronnen van elektromagnetische straling. Dit wordt vaak gedaan door de oscillatiestroom smalbandig te maken of het spectrum te filteren, wat uiterst inefficiënt is. Het is ingewikkeld, en kan duur zijn, om de bandbreedte van een stroombron te verminderen met behoud of verhoging van het uitgestraalde vermogen.

Het onderzoeksexcellentiekader 2014, de uitgebreide beoordeling van het onderzoek van Britse universiteiten, rangschikte het Physics-onderzoek van de University of Strathclyde als eerste in het VK, met 96% van de output beoordeeld als wereldleider of internationaal uitstekend.