Fysieke beoordeling X onlangs gerapporteerd over een nieuwe optische resonator van het Technion-Israel Institute of Technology die zijn weerga niet kent in resonantieverbetering. Ontwikkeld door afgestudeerde student Jacob Kher-Alden onder toezicht van professor Tal Carmon, de in Technion geboren resonator heeft recordbrekende mogelijkheden op het gebied van resonantieverbetering.

Een resonator is een apparaat dat golven vangt en versterkt of weerkaatst door ze van muur tot muur te reflecteren in een proces dat resonantieverbetering wordt genoemd. Vandaag, er zijn over de hele wereld complexe en geavanceerde resonatoren van verschillende soorten, evenals eenvoudige resonatoren die ons allemaal bekend zijn. Voorbeelden hiervan zijn de resonatorbox van een gitaar, die het geluid van de snaren versterkt, of het lichaam van een fluit, die het geluid dat in het mondstuk van het instrument wordt gecreëerd, versterkt.

De gitaar en fluit zijn akoestische resonatoren waarbij het geluid weergalmt tussen de wanden van de resonator. in de natuurkunde, er zijn ook optische resonatoren, zoals in laserapparaten. Een resonator is, in feite, een van de belangrijkste apparaten in de optica:"Het is de transistor van de optica, " zei prof. Carmon.

In het algemeen, resonatoren hebben minimaal twee spiegels nodig om gereflecteerd licht te vermenigvuldigen (net als bij de kapsalon). Maar ze kunnen ook meer dan twee spiegels bevatten. Bijvoorbeeld, drie spiegels kunnen worden gebruikt om het licht in een driehoekige vorm te reflecteren, vier in een vierkant, enzovoort. Ook is het mogelijk om veel spiegels in een bijna ronde vorm te plaatsen zodat het licht circuleert. Hoe meer spiegels in de ring, hoe dichter de structuur die van een perfecte cirkel wordt.

Maar dit is niet het einde van het verhaal, omdat de ring de beweging van het licht beperkt tot een enkel vlak. De oplossing is een bolvormige structuur, waardoor licht kan roteren op alle vlakken die door het middelpunt van de cirkel gaan, ongeacht hun helling. Met andere woorden, in de driedimensionale ruimte.

In de beweging van natuurkunde naar techniek, de vraag rijst hoe je een resonator zo dicht mogelijk bij een bol kunt produceren die schoon is, zacht, en geeft het maximale aantal rotaties voor optimale resonantie. Het is een uitdaging waar veel onderzoeksgroepen bij betrokken zijn geweest en heeft geleid tot, onder andere, een kleine glazen resonator in de vorm van een bol of ring, die naast een smalle optische vezel wordt gehouden. Een voorbeeld hiervan werd twee jaar geleden gepresenteerd door Prof. Carmon in Natuur .

Hier, er was nog ruimte voor verbetering, want zelfs de steel die de bol vasthoudt, veroorzaakt een vervorming in zijn bolvorm. Vandaar, het verlangen was geboren om een ​​zwevende resonator te produceren - een resonator die door geen enkel materieel object wordt vastgehouden.

's Werelds eerste micro-resonator werd in de jaren 70 gedemonstreerd door Arthur Ashkin, winnaar van de Nobelprijs voor Natuurkunde 2018, die een zwevende resonator presenteerde. Ondanks de prestatie, de onderzoeksrichting werd al snel verlaten. Nutsvoorzieningen, geïnspireerd door Ashkin's baanbrekende werk, de nieuwe zwevende resonator vertoont een resonantieverbetering met 10, 000, 000 circulaties van licht, vergeleken met ongeveer 300 circulaties in de resonator van Ashkin.

De zwevende resonator

In een resonator gemaakt van spiegel die 99,9999% van het licht reflecteert, het licht zal ongeveer een miljoen omwentelingen of "rondreizen" draaien. Volgens prof. Carmon, "Als we licht nemen met een vermogen van één watt, vergelijkbaar met het licht van de flits op een mobiele telefoon, en we laten het heen en weer draaien tussen deze spiegels, het lichtvermogen zal worden versterkt tot ongeveer een miljoen watt - het vermogen is gelijk aan het elektriciteitsverbruik van een grote wijk in Haifa, Israël. We kunnen de hoge lichtopbrengst gebruiken, bijvoorbeeld, om verschillende licht-materie-interacties in het gebied tussen de spiegels te stimuleren."

In feite, een miljoen watt bestaat uit hetzelfde lichtdeeltje dat heen en weer reist door de materie, maar de materie "weet" niet dat het hetzelfde lichtdeeltje is dat herhaaldelijk door de materie beweegt, omdat fotonen niet van elkaar te onderscheiden zijn. Het "voelt" alleen de grote kracht. Bij een apparaat van dit type is het ook belangrijk dat de miljoen watt door een kleine dwarsdoorsnede gaat. Inderdaad, het door Kher-Alden ontwikkelde apparaat geleidt licht in 10 miljoen rondreizen, waarbij het licht wordt gefocusseerd op een bundelgebied 10, 000 keer kleiner dan de dwarsdoorsnede van een haar. Door dit te doen, Kher-Alden heeft een wereldrecord behaald in de resonantieverbetering van licht.

De door Technion-onderzoekers ontwikkelde resonator is gemaakt van een kleine druppel zeer transparante olie met een diameter van ongeveer 20 micron - een kwart van de dikte van een haarlok. Met behulp van een techniek genaamd 'optische tang, ' de druppel wordt met licht in de lucht gehouden. Deze techniek wordt gebruikt om de druppel in de lucht te houden zonder materiële ondersteuning, wat de bolvorm kan beschadigen of de druppel kan vervuilen. Volgens prof. Carmon, "Deze ingenieuze optische uitvinding, de optische pincet, wordt veel gebruikt in de levenswetenschappen, scheikunde, microflow-apparaten en meer, en het zijn juist de optische onderzoekers die het nauwelijks gebruiken - een beetje zoals de schoenlapper die op blote voeten loopt. In de huidige studie, laten we zien dat optische pincetten een enorm potentieel hebben op het gebied van optische engineering. Het is mogelijk, bijvoorbeeld, om een ​​optisch circuit te bouwen met behulp van meerdere optische tangen die veel resonatoren bevatten en de positie van de resonatoren en hun vorm naar behoefte regelen."

De kleine afmetingen van de druppel verbeteren ook de sferische integriteit, omdat de zwaartekracht het nauwelijks vervormt, omdat het in deze afmetingen marginaal is ten opzichte van de oppervlaktespanningskrachten op het vloeistofgrensvlak die het een bolvorm geven. In het unieke systeem ontwikkeld door Technion-onderzoekers, de oliedruppel wordt vastgehouden door een laserstraal en ontvangt het licht van een andere vezel, die ook het licht terugkrijgt nadat het door de resonator is gegaan.

Op basis van de eigenschappen van het licht dat terugkeert naar de vezel, onderzoekers kunnen weten wat er in de druppel is gebeurd. Bijvoorbeeld, ze kunnen het licht dat de resonator binnenkomt uitschakelen en onderzoeken hoe lang een foton in de resonator zal overleven voordat het vervaagt. Op basis van deze gegevens en de snelheid van het licht, ze kunnen berekenen hoeveel omwentelingen het foton (gemiddeld) maakt in een druppel. De resultaten tonen een wereldrecord in lichtversterking:10, 000, 000 omwentelingen die door een dwarsdoorsnede van ongeveer een micron kwadraat gaan, het licht 10 miljoen keer vergroten.