Das Wellenverhalten an außergewöhnlichen Punkten verbessert die optische Kommunikation und die Sensorleistung

Physiker des NIST untersuchten ein Miniatur-Lichtstreusystem – eine ultradünne Schicht aus Siliziumnitrid,

befindet sich auf einem Siliziumchip.Über die gesamte Länge des Nitrids werden eng beieinander liegende periodische Rillen angebracht. Diese Rillen erzeugen ein Beugungsgitter, ein Gerät, das verschiedene Lichtfarben in verschiedenen Winkeln streut, und das Siliziumnitrid lenkt das einfallende Licht. Das Gitter streut den Großteil des Lichts senkrecht zum Gerät nach oben, was dazu führen sollte, dass die Lichtwelle exponentiell abklingt.

Das fiel den Forschern am meisten aufExperimenten verhält sich das Licht "wie erwartet" und verblasst schnell. Wenn jedoch die Breite der Rillen fast gleich dem Abstand zwischen ihnen war, nahm die Intensität bei einer bestimmten Wellenlänge des Infrarotlichts linear und nicht exponentiell ab. Gleichzeitig brachten geringfügige Änderungen der Wellenlänge oder des Abstands zwischen den Rillen das System zum exponentiellen Zerfall zurück.

Das ist auch Wissenschaftlern jedes Mal aufgefallendie Intensität des sich entlang des Gitters ausbreitenden Flusses änderte sich von exponentiell zu linear, das nach oben gestreute Licht bildete einen breiten Strahl mit durchgehend derselben Intensität.

Quelle: S. Kelley/NIST

Das NIST-Forschungsteam benötigtmehrere Jahre, um eine Theorie zu entwickeln, die das seltsame Phänomen erklären könnte. Wissenschaftler glauben, dass dies auf eine komplexe Wechselwirkung zwischen der Gitterstruktur und dem Licht zurückzuführen ist, das sich nach vorne und nach oben ausbreitet. Unter bestimmten Bedingungen, am sogenannten Ausnahmepunkt, reduziert die Kombination dieser Faktoren den Verlust von Infrarotlicht dramatisch.

Wie die Autoren der Arbeit weiter vermerkenExperimente haben gezeigt, dass ähnliche Ausnahmepunkte für jede Art von Wellen (z. B. akustische Wellen, Röntgenwellen, Radiowellen) charakteristisch sind, die sich mit Verlusten durch eine periodische Struktur ausbreiten. 

Die Forscher glauben, dass die Eigenschaft, die sie gefunden habenvon Licht wird dazu beitragen, Lichtstrahlen ohne Energieverlust von einem Chip-basierten Gerät zu einem anderen zu übertragen, was in der optischen Kommunikation nützlich ist. Und ein breiter vertikaler Strahl, der an einem außergewöhnlichen Punkt erzeugt wird, ist nützlich, wenn Sie eine Atomwolke untersuchen.

Eine weitere mögliche Anwendung istUmweltüberwachung. Wie die Autoren der Arbeit erklären, verschwindet der Ausnahmepunkt abrupt, wenn eine Verunreinigung auf der Oberfläche des Sensors die Wellenlänge des Lichts im Gitter ändert, und die Lichtintensität geht schnell von einem linearen zu einem exponentiellen Abfall über.

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