28.11.2017
ФизТех

Ученые заставили прозрачные материалы поглощать свет

3.9

Коллектив физиков из России, Швеции и США теоретически продемонстрировал крайне необычный оптический эффект. Он может позволить разработать новые устройства оптической памяти.

Ученые заставили прозрачные материалы поглощать свет / ©Пресс-служба МФТИ

Ученым удалось «виртуально» поглотить свет с помощью материала, который не обладает поглощением. Теоретическая находка авторов открывает новые пути к созданию элементов памяти для света. Работа опубликована в журнале Optica.

Поглощение электромагнитного излучения, в том числе света, является одним из основных электромагнитных эффектов. Он связан с превращением электромагнитной энергии внутри непрозрачного материала в тепло или другие виды энергии (например, при возбуждении электронов). Уголь, черная краска или массив углеродных нанотрубок, известный многим под названием Vantablack, выглядят черными потому, что в этих материалах энергия падающего света практически полностью поглощается. Другие же материалы, такие как стекло или кварц, не поглощают свет и потому выглядят прозрачными.

Рис. 1. Схематичное изображение процесса виртуального поглощения: слой прозрачного материала освещается с двух сторон пучками света с нарастающей во времени интенсивностью

В своей теоретической работе ученым удалось нарушить это простое интуитивное представление о поглощающих материалах и заставить структуру из абсолютно прозрачного материала выглядеть идеально поглощающей. Чтобы обойти запрет на поглощение, специалисты воспользовались особыми математическими свойствами матрицы рассеяния — функции, которая связывает падающее на систему и рассеянное ею электромагнитное поле. При падении на систему из прозрачного материала пучка света с постоянной во времени интенсивностью система рассеивает весь падающий свет вследствие отсутствия поглощения — это свойство матрицы рассеяния называется “унитарностью”. Оказалось, однако, что если особым образом менять во времени интенсивность падающего пучка, то унитарность может быть нарушена, по крайней мере на какое-то время. В частности, если увеличивать интенсивность падающего света по экспоненте, вся энергия падающего света будет копиться внутри прозрачного материала и не покидать его, как изображено на рис. 1. Снаружи при этом такая система будет выглядеть идеально поглощающей.

Чтобы продемонстрировать описанный эффект, авторы рассмотрели тонкий слой прозрачного диэлектрика и рассчитали необходимый для виртуального поглощения профиль интенсивности падающего света. Численные расчеты подтвердили, что при экспоненциальном нарастании интенсивности падающей волны (показана пунктиром на рис. 2) прохождение и отражение от такого слоя полностью отсутствуют (сплошная кривая на рис. 2): иными словами, слой выглядит идеально поглощающим, несмотря на отсутствие фактического поглощения. Однако, когда экспоненциальное нарастание амплитуды падающей волны прекращается (момент времени t = 0), вся «запертая» внутри слоя энергия начинает покидать его.

«Теоретические результаты, полученные в этой работе, оказались очень контринтуитивными. Думаю, что никто из авторов до начала исследования не мог предположить, что с помощью прозрачной системы можно провернуть такой „фокус“, — комментирует открытие аспирант МФТИ, один из авторов работы, Денис Баранов. — Но сама математика подсказала нам дорогу к этому эффекту, и неизвестно, какие еще необычные явления скрываются за ширмой простой электродинамики».

Ученые заставили прозрачные материалы поглощать свет
Рис. 2. Эффект виртуального поглощения в тонком слое прозрачного материала. Пунктирная линия показывает амплитуду падающей на слой волны в зависимости от времени, сплошная линия — амплитуду рассеянного сигнала, включающего в себя отраженную и прошедшую волны. До момента времени t = 0 рассеянный сигнал отсутствует, указывая на то, что вся энергия падающей волны идеально «запирается» в слое прозрачного материала.

Результаты, продемонстрированные в этой работе, не только расширяют общие представления о том, каким образом может вести себя свет при взаимодействии с обыкновенными прозрачными материалами, но и открывают дорогу к интересным практическим приложениям. Например, такое накопление света в прозрачной системе может позволить разработать устройства оптической памяти, которые будут без потерь хранить оптическую информацию и высвобождать ее в нужный момент времени.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Вчера, 11:26
Илья Ведмеденко

Второго декабря, в 03:31 (мск), должен состояться запуск ракеты-носителя «Союз-СТ-Б» с аппаратами Galileo. Трансляцию вы сможете посмотреть на нашем сайте.

12 часов назад
Ольга Иванова

Исследователи из США объяснили, зачем нужна физическая активность в старости.

Вчера, 05:30
Мария Азарова

Ученые из США представили альтернативный молекулярный механизм образования меланоцитарного невуса, который согласуется как с экспериментальными, так и с клиническими наблюдениями.

25 ноября
НИУ ВШЭ

Мобильные ученые публикуются в индексируемых журналах в два раза чаще. К такому выводу пришли исследователи из НИУ ВШЭ.

26 ноября
Анастасия Михалева

За всю историю исследования в космосе побывали более 500 человек. В океан на глубину более 10 километров спускались всего трое. Мы до сих пор знаем о Мировом океане и его обитателях недопустимо мало.

25 ноября
Илья Ведмеденко

Российские инженеры спроектировали самолет для межконтинентальных полетов в стратосфере. Его можно назвать условным аналогом британского Skylon.

3 ноября
Ольга Иванова

Исследований на эту тему, как ни странно, мало, хотя предположений — великое множество. По мнению ученых из Венгрии, одна из причин такого поведения — высокая концентрация внимания на речи хозяина, а еще это означает, что собака слышит знакомое слово.

12 ноября
Мария Азарова

Кошки оказывались сбиты с толку, когда их человек, как им казалось, «телепортировался» в новое, неожиданное место. Однако они не реагировали таким же образом на чужих людей или других животных.

2 ноября
Мария Азарова

Авторы новой работы на примере Шотландии определили характеристики людей, умерших от Covid-19, хотя они были привиты, а также выявили основные предикторы смертности.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: