Het betrouwbaar geleiden en opvangen van optische golven staat centraal in het functioneren van verschillende hedendaagse technologieën, waaronder communicatie- en informatieverwerkingssystemen. De meest conventionele benadering om lichtgolven te geleiden maakt gebruik van de totale interne reflectie van optische vezels en andere soortgelijke structuren, maar recentelijk hebben natuurkundigen het potentieel onderzocht van technieken die op andere fysieke mechanismen zijn gebaseerd.

Onderzoekers van de Universiteit van Zuid-Californië hebben onlangs een zeer innovatieve aanpak bedacht om licht op te vangen. Deze methode, geïntroduceerd in Natuurfysica , maakt gebruik van de exotische eigenschappen van Lagrangepunten, dezelfde evenwichtspunten die de banen van oorspronkelijke hemellichamen bepalen, zoals de zogenaamde Trojaanse asteroïden in het zon-Jupitersysteem.

‘De ontdekking van Lagrangepunten, die cruciaal is in dit onderzoek, kan worden teruggevoerd op het vroege werk van Leonhard Euler en Joseph-Louis Lagrange, waarin werd ontdekt dat op deze locaties de aantrekkingskracht van twee grote lichamen kan worden uitgeoefend. precies gecompenseerd door middelpuntvliedende krachten”, vertelden Mercedeh Khajavikhan en Demetrios N. Christodoulides, co-auteurs van het artikel, aan Phys.org.

"Hoewel sommige van deze punten, met name en, al worden gebruikt als strategische posities in de ruimte voor satellietstabiliteit met een minimaal drijfgasverbruik (zoals geïllustreerd door de James Webb-telescoop en de onlangs ingezette Aditya L1-satelliet), richt onze studie zich op de intrigerende eigenschappen van en Lagrangepunten."

Trojaanse asteroïden zijn een grote groep asteroïden die in dezelfde baan rond de zon cirkelen als de planeet Jupiter. Lagrangepunten, genoemd naar de beroemde wiskundige Lagrange die ze heeft ontdekt, zijn posities in de ruimte waarin de zwaartekracht van twee lichamen in hetzelfde systeem (bijvoorbeeld de zon en Jupiter) verbeterde gebieden van aantrekking en afstoting produceren.

Als onderdeel van hun onderzoek wilden Khajavikhan en Christodoulides het potentieel onderzoeken van het gebruik van de unieke fysica van deze posities om lichtgolven te geleiden en op te vangen. In hun artikel toonden de onderzoekers aan dat het gebruik van en Lagrangepunten voor optische toepassingen in sommige opzichten lijkt op het vangen van Trojaanse asteroïden in de baan van de zon en Jupiter.

"De optische golfgeleider van Lagrange wordt geïnduceerd door stroom door een spiraalvormige draad in een cilinder van uitgeharde siliciumolie te laten gaan", aldus Khajavikhan en Christodoulides.

"Door middel van het thermo-optische effect produceert dit op zijn beurt een verwrongen indexlandschap waarin in dit geval de fotonafstoting wordt gecompenseerd door de middelpuntvliedende kracht. Contra-intuïtief wordt in dit berghellingindexprofiel een stabiel Lagrange-punt geproduceerd. en als resultaat wordt op deze positie een Trojaanse optische straal op tweedimensionale wijze gevangen."

Als onderdeel van hun onderzoek creëerden Khajavikhan en Christodoulides een compact systeem in hun laboratorium dat de eigenschappen van Lagrangepunten reproduceerde, zoals die waargenomen in de banen van Trojaanse asteroïden. Hun in een laboratorium gebouwde systeem bestond uit een spiraalvormige ijzerdraad, ingebracht in een medium met een temperatuurafhankelijke brekingsindex.

De onderzoekers konden dit medium later op een niet-homogene manier verwarmen door elektriciteit door de draad te laten gaan. Uiteindelijk maakte dit proces de vorming mogelijk van wat zij een Trojaanse optische straal noemen.

Dit eenvoudige experiment leidde tot zeer interessante observaties. Interessant genoeg ontdekten de onderzoekers dat optische Trojaanse stralen konden worden geleid of opgevangen in deze onscherpe brekingsindexomgeving, iets dat onder normale omstandigheden niet haalbaar is.

"Wat nog belangrijker is, is dat het brekingsindexlandschap waar deze optische bundels worden opgevangen volkomen onopvallend is en geen enkele kenmerken vertoont die een leidende reactie zouden kunnen voorspellen", aldus Khajavikhan en Christodoulides. "In wezen zit de optische straal vast in een nergensland - in volledig onopvallende gebieden waar geen conventionele golfgeleiderstructuren bestaan."

Het recente werk van dit team van onderzoekers laat zien dat de unieke kenmerken van Lagrangepunten kunnen worden gebruikt om lichtgolven te geleiden en op te vangen. In de toekomst zou dit de ontwikkeling kunnen vormen van nieuwe technieken om optische golven te geleiden in onconventionele omgevingen waarin conventionele benaderingen niet effectief zijn, zoals in vloeistoffen en gassen.

"Een mogelijke weg voor verder onderzoek zou het gebruik van Trojaanse bundels kunnen zijn in versterkende (laser)systemen, waarbij optische winst of verlies alternatieve manieren kan bieden voor het aantrekken of afstoten van bundels in volledig diëlektrische media", aldus Khajavikhan en Christodoulides.

Tot nu toe hebben de onderzoekers zich alleen geconcentreerd op het gebruik van Lagrangepunten voor het geleiden van lichtstralen. In de toekomst zou de door hen ontwikkelde methodologie echter ook kunnen worden getest op andere gebieden van de natuurkunde die verder reiken dan de optica, bijvoorbeeld als een techniek om akoestische golven of ultrakoude atomen te geleiden.

"Op dit punt zijn we van plan de mogelijkheid te onderzoeken om licht te geleiden in akoestische golven in zowel vloeibare als gasvormige media", voegde Khajavikhan en Christodoulides eraan toe. "Tot slot zou het interessant zijn om voor de eerste keer diëlektrische micro- en nanodeeltjes in Lagrange-golfgeleiders te vangen en te transporteren met behulp van optische trekstralen waar meerdere Lagrange-punten kunnen worden geïnduceerd - een aspect dat niet mogelijk is in de hemelmechanica."

Meer informatie: Haokun Luo et al, Trojaanse lichtstralen geleiden via Lagrangepunten, Natuurfysica (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02270-6

Journaalinformatie: Natuurfysica

© 2024 Science X Netwerk