De laser is de perfecte lichtbron, zolang hij maar van energie wordt voorzien, het genereert licht van een specifiek, goed gedefinieerde kleur. Echter, het is ook mogelijk om het tegenovergestelde te creëren:een object dat licht van een bepaalde kleur perfect absorbeert en de energie bijna volledig verdrijft.

Onderzoekers van de TU Wien (Wenen) hebben een methode ontwikkeld om van dit effect gebruik te maken, zelfs in zeer gecompliceerde systemen waarin lichtgolven willekeurig in alle richtingen worden verspreid. De methode is ontwikkeld in Wenen met behulp van computersimulaties, en bevestigd door experimenten in samenwerking met de Universiteit van Nice. Dit opent nieuwe mogelijkheden voor alle technische disciplines die met golfverschijnselen te maken hebben. De nieuwe methode is nu gepubliceerd in het tijdschrift Natuur .

Willekeurige structuren die golven absorberen

"Elke dag hebben we te maken met golven die op een gecompliceerde manier worden verspreid - denk aan een signaal van een mobiele telefoon dat meerdere keren wordt weerkaatst voordat het je mobiele telefoon bereikt, " zegt prof. Stefan Rotter van het Instituut voor Theoretische Fysica van de TU Wenen. "De zogenaamde willekeurige lasers maken gebruik van deze meervoudige verstrooiing. Dergelijke exotische lasers hebben een gecompliceerde, willekeurige interne structuur en stralen een zeer specifieke, individueel lichtpatroon bij levering van energie."

Met wiskundige berekeningen en computersimulaties, Het team van Rotter zou kunnen aantonen dat dit proces ook in de tijd kan worden teruggedraaid. In plaats van een lichtbron die een specifieke golf uitzendt, afhankelijk van zijn willekeurige innerlijke structuur, het is ook mogelijk om de perfecte absorber te bouwen, die een specifiek soort golf volledig verdrijft, afhankelijk van de karakteristieke interne structuur, zonder enig deel ervan te laten ontsnappen. Dit kan worden voorgesteld als het maken van een film van een normale laser die laserlicht uitzendt, en het in omgekeerde volgorde afspelen.

"Vanwege deze tijdomkering analogie met een laser, dit type absorber wordt een anti-laser genoemd, " zegt Stefan Rotter. "Tot nu toe, dergelijke anti-lasers zijn alleen gerealiseerd in eendimensionale structuren, die van weerszijden door laserlicht worden geraakt. Onze aanpak is veel algemener. We konden aantonen dat zelfs willekeurig gecompliceerde structuren in twee of drie dimensies een speciaal op maat gemaakte golf perfect kunnen absorberen. Op die manier, het concept kan voor een breed scala aan toepassingen worden gebruikt."

De perfecte golfbreker

Het belangrijkste resultaat van het onderzoeksproject:Voor elk object dat golven voldoende sterk absorbeert, een bepaalde golfvorm kan worden gevonden, die perfect wordt geabsorbeerd door dit object. "Echter, het zou verkeerd zijn om te denken dat de absorber gewoon sterk genoeg moet worden gemaakt zodat hij elke inkomende golf eenvoudigweg opslokt, " zegt Stefan Rotter. "In plaats daarvan, er is een complex verstrooiingsproces waarbij de invallende golf zich in vele deelgolven splitst, die elkaar vervolgens overlappen en zodanig met elkaar interfereren dat geen van de deelgolven er aan het einde uit kan komen." Een zwakke absorber in de anti-laser is voldoende - bijvoorbeeld een eenvoudige antenne die de energie van elektromagnetische golven opneemt.

Om hun berekeningen te testen, het team werkte samen met de Universiteit van Nice. Kevin Pichler, de eerste auteur van de Natuur publicatie, die momenteel werkt aan zijn proefschrift in het team van Stefan Rotter, bracht enkele weken door met Prof. Ulrich Kuhl aan de Universiteit van Nice om de theorie in praktijk te brengen met behulp van microgolfexperimenten. "Werkelijk, het is een beetje ongebruikelijk voor een theoreticus om het experiment uit te voeren, " zegt Kevin Pichler. "Voor mij, echter, het was bijzonder spannend om aan alle aspecten van dit project te kunnen werken, van het theoretische concept tot de implementatie in het laboratorium."

De in het laboratorium gebouwde "Random Anti-Laser" bestaat uit een microgolfkamer met een centrale absorberende antenne, omgeven door willekeurig gerangschikte Teflon-cilinders. Net als stenen in een plas water, waarbij watergolven worden afgebogen en gereflecteerd, deze cilinders kunnen microgolven verstrooien en een gecompliceerd golfpatroon creëren. "Eerst sturen we microgolven van buiten door het systeem en meten we hoe ze precies terugkomen. " legt Kevin Pichler uit. "Dit wetende, de binnenstructuur van het willekeurige apparaat kan volledig worden gekarakteriseerd. Dan is het mogelijk om de golf die volledig wordt opgeslokt door de centrale antenne bij de juiste absorptiesterkte te berekenen. In feite, bij het implementeren van dit protocol in het experiment, we vinden een absorptie van ongeveer 99,8% van het invallende signaal."

Anti-lasertechnologie staat nog in de kinderschoenen, maar het is gemakkelijk om mogelijke toepassingen te bedenken. "Stel je voor, bijvoorbeeld, dat je het signaal van een mobiele telefoon precies op de juiste manier kunt afstellen, zodat het perfect wordt geabsorbeerd door de antenne in uw mobiele telefoon, " zegt Stefan Rotter. "Ook in de geneeskunde, we hebben vaak te maken met de taak om golfenergie naar een heel specifiek punt te transporteren, zoals schokgolven die een niersteen verbrijzelen."