Rieth József: Anyagvilág - Háttérinformáció

Fényelnyelő gyűrű

Tartalomjegyzékhez < Világképem <  Anyag-időszak     

Egy ausztrál és brit fizikusokból álló kutatócsoportnak sikerült egy tipikusan kvantumfizikai jelenségen alapuló szuper-fényelnyelő szerkezetet létrehozni, amely forradalmi áttörést hozhat a napfény energiájának napelemek általi hasznosításában és tárolásában, a digitális kamerák lehetséges maximális felbontóképességének („a végső pixel") elérésében, az optikai kommunikációban, és kivételesen érzékeny fényérzékelők kifejlesztésében. Mint azt a Nature Communications-ben megjelent cikkükben a szerzők kifejtik, az új technológia lényegében egy már régebb óta ismert kvantumoptikai jelenség, a szupersugárzás „megfordításán" alapul.

Elvileg a jelenség meg is fordítható, s így olyan eszköz lenne készíthető, amely szuperhatékonyan nyeli el a fényt. Elméleti számítások szerint az elnyelés akkor éri el csúcsértékét, amikor a rendszer összenergiája a teljes telítettség 50 százalékán áll. Csakhogy itt jön a bökkenő: ennél magasabb telítettségnél ugyanis a rendszer további fotonokat már nem abszorbeál, hanem inkább fénykibocsátással veszít az energiájából.

A szupersugárzás jelensége akkor figyelhető meg, amikor N számú sugárzó egység (például gerjesztett atom vagy molekula), olyan fénnyel hat kölcsön, amelynek hullámhossza jóval nagyobb, mint a sugárzó egységek közti távolság: ebben az esetben az egységek nem egyenként, hanem együttesen és egymással összehangoltan (koherensen) hatnak kölcsön a fénnyel. Ennek eredményeként az általuk kibocsátott fényimpulzus intenzitása jóval nagyobb (N négyzetével arányos), mintha az egységek csak egyedileg hatnának kölcsön (ami N-nel lenne arányos). A jelenséget elméletileg még 1954-ben jósolta meg Robert H. Dicke amerikai fizikus, és azóta kísérletileg is sokszorosan igazolták, sőt, ezen az elven működő úgynevezett szupersugárzó lézereket is kifejlesztettek. Tipikusan kvantumjelenség, amelynek nincs klasszikus analógiája.

A szuperabszorbens rendszer fantáziaképe (részletes magyarázat a szövegben)

Ezt a feloldhatatlannak tűnő ellentmondást sikerült most az Oxfordi Egyetem elméleti fizikusai vezette kutatócsoportnak feloldani. Mint azt Kieran Higgíns, az egyetem anyagtudományi tanszékének professzora elmondta, a megoldás részben biológiai molekulák, nevezetesen a növények fotoszintézisében kulcsszerepet játszó gyűrűs szerkezetű molekulák tanulmányozásán alapult. „A célunk az volt, hogy legalább olyan hatékony fényelnyelő nanoszerkezetet építsünk ki, mint amilyen a növényekben működik" — mondta a professzor.

Az eszköz lelke egy köralakban elrendezett molekulákból álló gyűrű, amelynek energiáját lézerimpulzusokkal 50 százalékos telítettségre állítják be, hogy így elérjék a szuperabszorbens állapotot. „Ezt követően biztosítanunk kell ennek az állapotnak a fenntartását" — mondta Kieran. Ezt a célt a gyűrűnek egy speciális, a szerkezetéből adódó tulajdonságának a kihasználásával érték el: a rendszer energiaspektruma olyan, mint egy nem egyenközű, hanem felfelé egyre távolabb eső fokokból álló létra, ezért valahányszor elnyel egy fotont, a következő, elnyelhető foton energiájának az előzőnél valamivel nagyobbnak kell lennie, azaz a rendszer energiájának növelése egy egyre távolodó fokokból álló létrán való felmászáshoz hasonlítható. A szuperabszorbens állapot akkor tartható fenn, ha a molekulák energiáját nagyjából a létra magasságának közepénél tartjuk.

„Teszem azt a rendszer energiáját vörös lézerimpulzusok (fotonok) elnyelésével felvisszük 50 százalékos szintre, ezt követően már csak nagyobb energiájú, sárga fotonokat képes elnyelni — magyarázta Kieran. — És mi szeretnénk is, hogy az újabb sárga fotonokat elnyelje, de úgy, hogy eközben NE sugározza ki a már tárolt vöröseket: ezt úgy érhetjük el, hogy az eszközt egy olyan kristályba ágyazzuk be, amely gátolja a vörös fotonok kibocsátását, így azok a rendszerben maradnak."

Most már csupán egyetlen lépés van hátra: a rendszerbe egy olyan „szálat" kell becsatolni, amely képes az elnyelt újabb és újabb fotonok energiájának kivezetésére -valahogy ahhoz hasonlóan, ahogy a folyadékvezeték-rendszerek túlfolyócsöve, amely a bekerülő többlet kivezetésével a rendszerben lévő folyadékmennyiséget az előre beállított állandó szinten tartja. Ezzel a megoldással, ha a rendszert intenzív fényfelvillanás éri, akár gyors egymásutánban beérkező sárga fotonok elnyelésére is képes, míg sötétben szuperabszorbens állapotban várakozik, hogy bármely arra tévedő kóbor fotont hatékonyan elcsípjen.

Kieran szerint a napelemekben való hatékony alkalmazás még további fejlesztéseket igényel, ám rendkívül érzékeny fényérzékelők, amelyek a digitális kamerák olyan új generációjának alapjául szolgálhatnak, amelyek sötétben és erős fényben is tisztán „látnak", máris építhetők a modell alapján.

Tartalomjegyzékhez < Világképem <  Anyag-időszak     

--------------

Forrás: www.ox.ac.uk/news/2014-08-22-superabsorbing-ring-could-make-light-work-snaps