Zum ersten Mal haben Wissenschaftler gezeigt, dass negative Brechung mit Atomarrays erreicht werden kann – ohne dass künstlich hergestellte Metamaterialien erforderlich sind.
Wissenschaftler haben lange versucht, Licht auf eine Weise zu kontrollieren, die den Gesetzen von zu trotzen scheint Natur.
Negative Brechung – ein Phänomen, bei dem sich Licht in die entgegengesetzte Richtung zu seinem üblichen Verhalten beugt – hat Forscher für ihr Potenzial zur revolutionierten Optik fasziniert und transformative Technologien wie Superlenzen und Cloaking -Geräte ermöglicht.
Jetzt haben sorgfältig arrangierte Atome -Arrays diese Möglichkeiten einen Schritt näher gebracht und negative Brechung erreicht, ohne dass künstlich hergestellte Metamaterialien erforderlich sind.
In Forschungen veröffentlicht in Naturkommunikation, Die Physik -Professorin der Lancaster University, Janne Ruostekoski und Dr. Kyle Ballantine, mit Dr. Lewis Ruks von NTT -Grundlagenforschungslabors in Japan zeigten eine neuartige Möglichkeit, die Wechselwirkungen zwischen Atomen und Licht zu kontrollieren.
Natürliche Materialien interagieren mit Licht durch atomare Übergänge, wo Elektronen zwischen verschiedenen Energieniveaus springen. Dieser Interaktionsprozess hat jedoch erhebliche Einschränkungen. Zum Beispiel interagiert Licht hauptsächlich mit seiner elektrischen Feldkomponente, so dass die Magnetfeldkomponente weitgehend nicht verwendet wird.
Diese inhärenten Einschränkungen der optischen Eigenschaften natürlicher Materialien haben die Entwicklung künstlich konstruierter Metamaterialien getrieben, die auf das Phänomen der negativen Brechung beruhen.
Die Brechung tritt auf, wenn die Licht die Richtung ändert, wenn sie von Luft in Wasser oder Glas verläuft. Die negative Brechung ist jedoch eine kontraintuitive Wirkung, bei der Licht in einem mittleren Mittel in die entgegengesetzte Richtung zu dem biegt, was typischerweise in der Natur beobachtet wird, und das konventionelle Verständnis dessen, wie sich Licht in Materialien verhalten, in Frage gestellt wird.
Die Anziehungskraft der negativen Brechung liegt in ihren bahnbrechenden potenziellen Anwendungen, wie z.
Während in Metamaterialien eine negative Brechung erreicht wurde, bleiben praktische Anwendungen bei optischen Frequenzen durch Herstellungsunternehmen und nicht rensible Verluste behindert, die Anwendungen immer noch stark einschränken.
Der neuartige Ansatz des Lancaster- und NTT-Teams besteht darin, detaillierte Atom-by-Atom-Simulationen von Licht durchzuführen, die sich durch Atomarrays ausbreiten.
Ihre Arbeit zeigt, dass die kooperative Reaktion von Atomen eine negative Brechung ermöglichen und die Notwendigkeit von Metamaterialien insgesamt beseitigt.
Professor Janne Ruostekoski von der Lancaster University sagte: „In solchen Fällen interagieren Atome über das Lichtfeld und reagieren eher unabhängig voneinander. Dies bedeutet die Reaktion eines einzelnen Atom Stattdessen führen die kollektiven Wechselwirkungen zu aufstrebenden optischen Eigenschaften wie negativer Brechung, die nicht durch die Untersuchung einzelner Atome isoliert vorhergesagt werden können.
Diese Effekte werden ermöglicht, indem Atome in periodischen optischen Gitter eingefangen werden. Optische Gitter sind wie „Eierkartons“ aus Licht, bei denen Atome durch stehende Lichtwellen an Ort und Stelle gehalten werden.
Dr. Lewis Ruks von NTT sagte: „Diese genau angeordneten Atomkristalle ermöglichen es den Forschern, die Wechselwirkungen zwischen Atomen und Licht mit außergewöhnlicher Präzision zu steuern und den Weg für neuartige Technologien auf der Grundlage der negativen Brechung zu ebnen.“
Das kollektive Verhalten von Atomen in optischen Gitter bietet mehrere wichtige Vorteile. Im Gegensatz zu künstlich hergestellten Metamaterialien bieten Atomsysteme ein makelloses, sauberes, mittelsfreies Mittel, das frei von Herstellungsunternehmen. In solchen Systemen interagiert Licht auf kontrollierte und präzise Weise mit Atomen, ohne die Absorptionsverluste, die typischerweise Licht in Wärme umwandeln.
Diese einzigartigen Eigenschaften machen Atommedien zu einer vielversprechenden Alternative zu Metamaterialien für praktische Anwendungen negativer Brechung.
