Vågbeteende vid exceptionella punkter kommer att förbättra optisk kommunikation och sensorprestanda

Fysiker från NIST studerade ett miniatyrljusspridningssystem - ett ultratunt lager av kiselnitrid,

placerad på ett silikonchip.Tätt åtskilda periodiska spår appliceras längs nitridens hela längd. Dessa spår skapar ett diffraktionsgitter, en anordning som sprider ljus av olika färger i olika vinklar, och kiselnitriden riktar det inkommande ljuset. Gallret sprider det mesta av ljuset uppåt, vinkelrätt mot enheten, vilket bör få ljusvågen att avta exponentiellt.

Forskarna märkte att de flestaexperiment, beter sig ljuset "som förväntat" och bleknar snabbt. Men om spårens bredd var nästan lika med avståndet mellan dem, vid en viss våglängd av infrarött ljus, minskade dess intensitet linjärt, inte exponentiellt. Samtidigt återförde små förändringar i våglängden eller avståndet mellan spåren systemet till exponentiellt förfall.

Forskare märkte också det varje gångintensiteten av flödet som fortplantade sig längs gittret ändrades från exponentiellt till linjärt, ljuset som spreds uppåt bildade en bred stråle med samma intensitet genomgående.

Källa: S. Kelley/NIST

NIST-forskargruppen behövdeflera år för att utveckla en teori som skulle kunna förklara det märkliga fenomenet. Forskare tror att det beror på en komplex växelverkan mellan gitterstrukturen och ljus som sprider sig framåt och uppåt. Under vissa förhållanden, vid den så kallade exceptionella punkten, minskar kombinationen av dessa faktorer dramatiskt förlusten av infrarött ljus.

Som författarna till verket noterar, vidareexperiment har visat att liknande exceptionella punkter är karakteristiska för alla typer av vågor (till exempel akustiska, röntgen, radiovågor) som utbreder sig genom en periodisk struktur med förluster.

Forskarna tror att egendomen de hittadeljus kommer att hjälpa till att överföra ljusstrålar från en chipbaserad enhet till en annan utan energiförlust, vilket är användbart i optisk kommunikation. Och en bred vertikal stråle skapad vid en exceptionell punkt kommer att vara användbar när man studerar ett moln av atomer.

En annan potentiell tillämpning ärmiljöövervakning. Som författarna till arbetet förklarar, om en förorening på sensorns yta ändrar ljusets våglängd i gittret, kommer den exceptionella punkten abrupt att försvinna, och ljusintensiteten kommer snabbt att gå från linjärt till exponentiellt förfall.

Läs mer:

Den har jagats i århundraden: vad vet vi om planeten Vulcan bredvid solen

Fysiker har experimentellt bekräftat en ny grundläggande lag för vätskor

Astronomer har hittat källan till mystiska radioskurar som kommer från rymden