Анатомия на светлинния лъч

Названието на книгата на Аристотел, следваща фундаменталния му трактат „Физика“, не се е съхранило, затова са ѝ дали името „Метафизика“.

Гръцката приставка „мета-“ е била използвана за названието на метаматериали, които използват свойството на полупроводниците да превръщат енергията на светлината в електрически сигнал.

Нещо подобно се наблюдава в полупроводниковите квантови точки, които обръщат в светлина вариациите на електричния потенциал в живата клетка.

Учените от Виенския технологичен университет са обединили в новото си устройство метаматериали и така наречената квантова каскада. Устройството е способно да улавя нищожно количество инфрачервена светлина с терахерцова честота (с дължина на вълната десетки от милиметъра и честота хиляди милиарди колебания в секунда), които взаимодействат с електроните, генерирайки електричество.

Преимущество на новата технология е това, че тя при наличието на колебания на напрежението може да дава невиждано за очите топлинно лъчение.

Новото устройство напомня мезоамериканските пирамиди с полегати корнизи. Физиците така подбрали дебелината и геометрията на полупроводниковите слоеве, че получили възможност да осъществят фина настройка на свойствата на електроните.

Технологията позволява да се създадат лазери с квантова каскада, наречени така поради способността да изпускат фотон при всеки скок на електрона от слой в слой. Движейки се в обратна посока, учените прогнозират създаването на чувствителни спектроскопи, настроени изключително на една конкретна честота на светлинната вълна („цветност“).

Досега квантовата физика забраняваше на някои фотони на поляризирана светлина да взаимодействат с електроните на полупроводници. Поляризираната светлина „оцветява“ стъклата на небостъргачите в различни цветове, играе върху крилата на пеперудите и в 3D очилата.

Геометричните параметри на използваните във Виена метаматериали имат периодичност, която е по-малка от дължината на вълната на падащата светлина. Това позволило да се промени ъгълът на обръщане (поляризация), за да се разпознава той от полупроводниците.

Особеност на метаматериалите е тяхната способност да променят поляризацията на светлината на своята повърхност – фотоните започват да взаимодействат с електроните в полупроводника.

Микроелектронната промишленост още днес лесно изработва нанометрови слоеве, което позволява да се „печатат“ подобен род детектори, чиято дебелина е хиляди пъти по-малка от улавяната от тях инфрачервена светлина.

Огледалата добросъвестно отразяват падащата върху тях светлина. Свръхтънкият слой сребърна или друга метална подложка ги прави полупрозрачни (такива огледала виждаме в сцените на разпитите на различни детективи). В Масачузетския технологичен институт (MIT) са създали огледало от 84 редуващи се слоя стъкло и титанов диоксид –TiO2, което при определени условия става прозрачен „прозорец“.

Това се постига със смяна на отражението при преминаването на поляризиран лъч светлина, падащ върху повърхността на устройството под определен ъгъл. Подобно явление в оптичната физика се нарича филтър за насочване.

Оптиките и преди умееха да правят подобен род фокуси, удивляващи публиката (но ставаше дума само за определени честоти или ъгли на поляризация). В MIT за първи път са успели да постигнат същия ефект за целия видим спектър.

Авторите, които са публикували статията си в сп. Science, смятат, че създаденото от тях устройство ще позволи избирателно да се изолира светлината от далечни, лошо видими небесни обекти, засенчвани от по-ярки звезди и техните купове.

Същият принцип се отнася и до камерите за наблюдение, радари и решаването ьна други задачи, по-специално създаването на по-ефективни слънчеви батерии. Те ще пропускат само светлината с определена цветност, която с максимална ефективност ще подхожда за генерирането на електричество.

Има и малко усложнение. Новият оптичен трик работи в специална течност, имаща същото пречупване, както и стъклото. Но авторите виждат спасение в замяната на стъклото с аерогел, който има същото пречупване, както въздуха. Днес този лек материал се използва в качеството на топлоизолатор в скафандрите на астронавтите.