Onderzoekers van Duke University hebben ontdekt dat een perfecte absorber van elektromagnetische golven die ze in een paper uit 2017 beschreven, gemakkelijk kan worden aangepast tot een soort "time-reversed laser" die bekend staat als een coherent perfect absorber (CPA).

Het onderzoek verscheen op 28 januari online in het tijdschrift Geavanceerde optische materialen .

Een laser is een apparaat dat energie omzet in coherent licht, wat betekent dat de lichtgolven perfect op elkaar zijn uitgelijnd. Het proces omkeren, een CPA - ook wel een tijdomgekeerde laser genoemd - is een apparaat dat alle energie absorbeert van twee identieke elektromagnetische golven die het van beide kanten perfect synchroon raken. Dat is, de toppen en dalen van hun golven komen van beide kanten op precies hetzelfde moment het materiaal binnen.

in 2017, Willie Padilla, hoogleraar elektrotechniek en computertechniek aan Duke, bouwde het eerste materiaal dat in staat is om bijna 100 procent van de energie van een elektromagnetische golf te absorberen zonder zelfs maar een atoom metaal te bevatten. Het apparaat was een metamateriaal:synthetische materialen die waren samengesteld uit vele individuele, gemanipuleerde kenmerken die samen eigenschappen produceren die niet in de natuur voorkomen.

Dit specifieke metamateriaal bevatte zirkonia-keramiek geconstrueerd in een oppervlak met kuiltjes in cilinders, zoals het gezicht van een Legoblokje. Na computationele modellering van de eigenschappen van het apparaat door de grootte en afstand van de cilinders te wijzigen, de onderzoekers realiseerden zich dat ze eigenlijk een meer fundamentele vorm van CPA hadden gecreëerd.

"We hebben dit systeem eerder bestudeerd als een perfecte absorber, maar nu hebben we ontdekt dat dit apparaat ook als CPA kan worden geconfigureerd, "zei Padilla. "Deze studie heeft aangetoond dat deze schijnbaar verschillende velden eigenlijk één en hetzelfde zijn."

De CPA's die momenteel in de literatuur worden beschreven, hebben allemaal maar één modus. Ze werken wanneer de binnenkomende elektromagnetische golven ofwel perfect zijn uitgelijnd of perfect niet synchroon lopen. Padilla en Kebin-fan, een onderzoeksassistent-professor in het laboratorium van Padilla, hebben ontdekt dat hun perfecte absorber eigenlijk een CPA is met twee overlappende modi:het kan zowel uitgelijnde als verkeerd uitgelijnde golven absorberen.

Door de parameters van het materiaal te wijzigen zodat de twee modi elkaar niet langer overlappen, Padilla en Fan konden laten zien dat het gemakkelijk zou kunnen worden zoals de CPA's die momenteel in de literatuur staan, maar met veel meer veelzijdigheid.

"Typische CPA's hebben maar één variabele, de dikte van het materiaal, " zei Fan. "We hebben er drie:de straal van de cilinders, hoogte en periodiciteit. Dit geeft ons veel meer ruimte om deze modi aan te passen en ze in het frequentiespectrum te plaatsen waar we ze willen hebben, waardoor we veel flexibiliteit hebben om de CPA's op maat aan te passen."

In de krant, de onderzoekers laten zien dat hun apparaat kan schakelen tussen het absorberen van alle fasen van elektromagnetische golven en alleen die met elkaar synchroon lopen door de hoogte van de cilinders te vergroten van 1,1 millimeter naar 1,4. Met dit gemak van overgang, ze geloven dat het mogelijk moet zijn om een ​​materiaal te construeren dat dynamisch kan schakelen tussen de twee.

"Dat hebben we nog niet gedaan, " zei Padilla. "Het is een uitdaging, maar het staat wel op onze agenda."

Hoewel er momenteel geen apparaten zijn die gebruikmaken van de mogelijkheden van CPA's, Padilla en Fan hebben er een paar in gedachten. In principe, onderzoekers zouden een apparaat kunnen ontwerpen dat niet alleen de intensiteit van binnenkomend licht meet zoals een normale camera, maar ook de fase ervan.

"Als je de eigenschappen van een materiaal probeert te achterhalen, hoe meer metingen je hebt, hoe meer je kunt begrijpen over het materiaal, ' zei Padilla. 'En hoewel coherente detectoren bestaan, hebben we er een in ons eigen laboratorium, eigenlijk zijn ze extreem duur om te bouwen via andere technologieën."