Schijn met een zaklamp in een troebel vijverwater en de straal dringt niet ver door. Absorptie en verstrooiing verminderen snel de intensiteit van de lichtstraal, die een vast percentage energie verliest per afgelegde afstandseenheid. Die afname - bekend als exponentieel verval - geldt voor licht dat door een vloeistof of vaste stof reist die gemakkelijk elektromagnetische energie absorbeert en verstrooit.

Maar dat is niet wat onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) ontdekten toen ze een miniatuur lichtverstrooiingssysteem bestudeerden - een ultradunne laag siliciumnitride die bovenop een chip is gefabriceerd en geëtst met een reeks dicht bij elkaar gelegen, periodieke groeven. De groeven creëren een rooster - een apparaat dat verschillende kleuren licht onder verschillende hoeken verstrooit - terwijl het siliciumnitride het binnenkomende licht zo ver mogelijk opsluit en geleidt langs de 0,2 centimeter lengte van het rooster.

Het rooster verstrooit het licht - het meeste naar boven, loodrecht op het apparaat - net zoals vijverwater dat doet. En in de meeste van hun experimenten observeerden de NIST-wetenschappers precies dat. De intensiteit van het licht werd exponentieel gedimd en kon alleen de eerste paar groeven van het rooster verlichten.

Toen het NIST-team echter de breedte van de groeven aanpaste zodat ze bijna gelijk waren aan de afstand ertussen, ontdekten de wetenschappers iets verrassends. Als ze zorgvuldig een specifieke golflengte van infrarood licht kozen, nam de intensiteit van dat licht veel langzamer af naarmate het langs het rooster reisde. De intensiteit nam lineair af met de afgelegde afstand in plaats van exponentieel.

De wetenschappers waren net zo geïntrigeerd door een eigenschap van het infrarode licht dat vanaf het rooster naar boven werd verstrooid. Telkens wanneer de intensiteit van het licht langs het rooster verschoof van exponentiële naar lineaire afname, vormde het naar boven verstrooide licht een brede straal die overal dezelfde intensiteit had. Een brede lichtstraal van uniforme intensiteit is een zeer wenselijk hulpmiddel voor veel experimenten met wolken van atomen.

Elektriciteits- en computeringenieur Sangsik Kim had nog nooit zoiets gezien. Toen hij voor het eerst het vreemde gedrag opmerkte in simulaties die hij in het voorjaar van 2017 bij NIST uitvoerde, maakten hij en de ervaren NIST-wetenschapper Vladimir Aksyuk zich zorgen dat hij een fout had gemaakt. Maar twee weken later zag Kim hetzelfde effect in laboratoriumexperimenten met echte diffractieroosters.

Als de golflengte zelfs maar een klein beetje verschoof of de afstand tussen de groeven slechts een klein beetje veranderde, keerde het systeem terug naar exponentieel verval.

Het kostte het NIST-team enkele jaren om een ​​theorie te ontwikkelen die het vreemde fenomeen kon verklaren. De onderzoekers ontdekten dat het zijn wortels heeft in het complexe samenspel tussen de structuur van het rooster, het licht dat naar voren beweegt, het licht dat naar achteren wordt verstrooid door de groeven in het rooster en het licht dat naar boven wordt verstrooid. Op een kritiek moment, bekend als het uitzonderlijke punt, werken al deze factoren samen om het verlies aan lichtenergie drastisch te veranderen, van exponentieel naar lineair verval.

De onderzoekers waren verrast om te beseffen dat het fenomeen dat ze met infrarood licht waarnamen een universele eigenschap is van elk type golf die door een verliesgevende periodieke structuur reist, of de golven nu akoestisch, infrarood licht of radio zijn.

De bevinding kan onderzoekers in staat stellen om lichtstralen van het ene op chips gebaseerde apparaat naar het andere over te brengen zonder zoveel energie te verliezen, wat een zegen zou kunnen zijn voor optische communicatie. De brede, uniforme bundel gevormd door het uitzonderlijke punt is ook ideaal voor het bestuderen van een wolk van atomen. Het licht zet de atomen aan om van het ene energieniveau naar het andere te springen; zijn breedte en uniforme intensiteit stellen de straal in staat om de snel bewegende atomen voor een langere periode te ondervragen. Het nauwkeurig meten van de frequentie van het uitgestraalde licht terwijl de atomen dergelijke overgangen maken, is een belangrijke stap bij het bouwen van zeer nauwkeurige atoomklokken en het creëren van nauwkeurige navigatiesystemen op basis van ingesloten atoomdampen.

Meer in het algemeen, zei Aksyuk, maakt de uniforme lichtstraal het mogelijk om draagbare, op chips gebaseerde fotonische apparaten te integreren met grootschalige optische experimenten, waardoor hun omvang en complexiteit worden verminderd. Zodra de uniforme lichtstraal bijvoorbeeld een atomaire damp meet, kan de informatie worden teruggestuurd naar de fotonische chip en daar worden verwerkt.

Een andere mogelijke toepassing is milieumonitoring. Omdat de transformatie van exponentiële naar lineaire absorptie plotseling en buitengewoon gevoelig is voor de geselecteerde golflengte van licht, zou dit de basis kunnen vormen voor een uiterst nauwkeurige detector van sporen van verontreinigende stoffen. Als een verontreinigende stof aan het oppervlak de golflengte van het licht in het rooster verandert, zal het uitzonderlijke punt abrupt verdwijnen en zal de lichtintensiteit snel overgaan van lineair naar exponentieel verval, zei Aksyuk.

De onderzoekers, waaronder Aksyuk en Kim, die nu aan de Texas Tech University in Lubbock werken, rapporteerden hun bevindingen online in het nummer van Nature Nanotechnology van 21 april. . + Verder verkennen

Nieuw apparaat verbreedt lichtbundels 400 keer, waardoor de mogelijkheden in wetenschap en technologie worden vergroot