For første gang har forskere demonstreret, at negativ brydning kan opnås ved hjælp af atomarrays – uden behovet for kunstigt fremstillede metamaterialer.
Forskere har længe forsøgt at kontrollere lys på måder, der ser ud til at trodse naturlovene.
Negativ refraktion – et fænomen, hvor lys bøjer sig i den modsatte retning af sin sædvanlige opførsel – har betaget forskere for sit potentiale til at revolutionere optik, hvilket muliggør transformative teknologier som superlenser og tilslutning.
Nu har omhyggeligt arrangerede arrays af atomer bragt disse muligheder et skridt nærmere, hvilket har opnået negativ brydning uden behov for kunstigt fremstillede metamaterialer.
I forskning offentliggjort i NaturkommunikationLancaster University Physics Professor Janne Ruosteekoski og Dr. Kyle Ballantine, med Dr. Lewis Ruks fra NTT Basic Research Laboratories i Japan, demonstrerer en ny måde at kontrollere interaktioner mellem atomer og lys.
Naturlige materialer interagerer med lys gennem atomovergange, hvor elektroner hopper mellem forskellige energiniveauer. Imidlertid har denne interaktionsproces betydelige begrænsninger. For eksempel interagerer lys primært med sin elektriske feltkomponent, hvilket efterlader magnetfeltkomponenten stort set ubrugt.
Disse iboende begrænsninger i de optiske egenskaber ved naturlige materialer har drevet udviklingen af kunstigt konstruerede metamaterialer, der er afhængige af fænomenet negativ brydning.
Brydning opstår, når lyset ændrer retning, når den passerer, f.eks. Fra luft til vand eller glas. Negativ brydning er imidlertid en modintuitiv effekt, hvor lys i en medium bøjer sig i den modsatte retning af det, der typisk observeres i naturen, og udfordrer konventionel forståelse af, hvordan lys opfører sig i materialer.
Tilslutningen af negativ brydning ligger i dens banebrydende potentielle applikationer, såsom at skabe en perfekt linse, der er i stand til at fokusere og afbildning ud over diffraktionsgrænsen eller udvikle tilslutningsenheder, der gør objekter usynlige.
Mens der er opnået negativ brydning i metamaterialer, forbliver praktiske anvendelser ved optiske frekvenser hæmmet af ufuldkommenheder og ikke-strålende tab, som stadig begrænser anvendelser.
Den nye tilgang fra Lancaster- og NTT-teamet involverer at udføre detaljerede, atom-for-atom-simuleringer af lys, der forplantes gennem atomarrays.
Deres arbejde viser, at atomernes kooperative respons kan muliggøre negativ brydning, hvilket eliminerer behovet for metamaterialer helt.
Professor Janne Ruosteekoski fra Lancaster University sagde: “I sådanne tilfælde interagerer atomer med hinanden via det lette felt, hvilket svarer kollektivt snarere end uafhængigt. Dette betyder, at responsen fra et enkelt atom ikke længere giver en enkel guide til hele ensemblets opførsel .
“I stedet giver de kollektive interaktioner anledning til nye optiske egenskaber, såsom negativ brydning, som ikke kan forudsiges ved at undersøge individuelle atomer isoleret.”
Disse effekter muliggøres ved at fange atomer i periodiske optiske gitter. Optiske gitter er som “æggekartoner” lavet af lys, hvor atomer holdes på plads af stående lysbølger.
Dr. Lewis Ruks ved NTT sagde: “Disse præcist arrangerede atomkrystaller giver forskere mulighed for at kontrollere interaktionerne mellem atomer og lys med ekstraordinær præcision og baner vejen for nye teknologier baseret på negativ brydning.”
Den kollektive opførsel af atomer i optiske gitter giver flere vigtige fordele. I modsætning til kunstigt fremstillede metamaterialer giver atomsystemer et uberørt, rent medium fri for fremstillinger af fremstillinger.
I sådanne systemer interagerer lys med atomer på en kontrolleret og præcis måde uden de absorptionstab, der typisk omdanner lys til varme.
Disse unikke egenskaber gør atommedier til et lovende alternativ til metamaterialer til praktiske anvendelser af negativ brydning.