Een groep natuurkundigen uit Rusland, Zweden en de VS hebben een hoogst ongebruikelijk optisch effect aangetoond. Ze slaagden erin om licht "virtueel" te absorberen met een materiaal dat geen lichtabsorberend vermogen heeft. De onderzoeksresultaten, gepubliceerd in optiek , nieuwe wegen inslaan voor het creëren van geheugenelementen voor licht.

De absorptie van elektromagnetische straling, inclusief licht, is een van de belangrijkste effecten van elektromagnetisme. Dit proces vindt plaats wanneer elektromagnetische energie wordt omgezet in warmte of een ander soort energie in een absorberend materiaal (bijvoorbeeld tijdens elektronenexcitatie). Steenkool, zwarte verf en koolstof nanobuis-arrays - ook bekend als Vantablack - lijken zwart omdat ze de energie van het invallende licht bijna volledig absorberen. Andere materialen, zoals glas of kwarts, hebben geen absorberende eigenschappen en zien er daardoor transparant uit.

In hun theoretisch onderzoek waarvan de resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift optiek , de natuurkundigen slaagden erin om dat eenvoudige en intuïtieve idee te verdrijven door een volledig transparant materiaal perfect absorberend te laten lijken. Om dat te bereiken, de onderzoekers gebruikten speciale wiskundige eigenschappen van de verstrooiingsmatrix - een functie die een invallend elektromagnetisch veld relateert aan het veld dat door het systeem wordt verstrooid. Wanneer een lichtstraal van tijdonafhankelijke intensiteit een transparant object raakt, het licht wordt niet geabsorbeerd, maar wordt verstrooid door het materiaal - een fenomeen dat wordt veroorzaakt door de unitaire eigenschap van de verstrooiingsmatrix. Het bleek, echter, dat als de intensiteit van de invallende bundel op een bepaalde manier met de tijd wordt gevarieerd, de unitaire eigenschap kan worden verstoord, in ieder geval tijdelijk. Vooral, als de intensiteitsgroei exponentieel is, de totale energie van invallend licht zal zich ophopen in het transparante materiaal zonder het te verlaten (fig. 1). Als dat het geval is, het systeem zal van buiten perfect absorberend lijken.

Om het effect te illustreren, de onderzoekers onderzochten een dunne laag transparant diëlektricum en berekenden het intensiteitsprofiel dat nodig is voor de absorptie van het invallende licht. De berekeningen bevestigden dat wanneer de intensiteit van de invallende golf exponentieel toeneemt (de stippellijn op fig. 2), het licht wordt noch doorgelaten noch gereflecteerd (de ononderbroken curve op fig. 2). Dat is, de laag ziet er perfect absorberend uit ondanks het feit dat het de daadwerkelijke absorptiecapaciteit mist. Echter, wanneer de exponentiële groei van de invallende golfamplitude tot stilstand komt (op t =0), de energie opgesloten in de laag wordt vrijgegeven.

"Onze theoretische bevindingen lijken nogal contra-intuïtief te zijn. Totdat we met ons onderzoek begonnen, we konden ons niet eens voorstellen dat het mogelijk zou zijn om zo'n truc uit te halen met een transparante structuur, " zegt Denis Baranov, een doctoraatsstudent aan het MIPT en een van de auteurs van de studie. "Echter, het was de wiskunde die ons naar het effect leidde. Wie weet, elektrodynamica kan heel goed andere fascinerende verschijnselen herbergen."

De resultaten van de studie verbreden niet alleen ons algemene begrip van hoe licht zich gedraagt ​​wanneer het interageert met gewone transparante materialen, maar hebben ook een breed scala aan praktische toepassingen. Om een ​​voorbeeld te geven, de accumulatie van licht in een transparant materiaal kan helpen bij het ontwerpen van optische geheugenapparaten die optische informatie zonder verlies zouden opslaan en deze indien nodig vrijgeven.