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Absorbente perfecto coherente

Un absorbedor coherente perfecto ( CPA ), o antiláser , es un dispositivo que absorbe ondas coherentes, como ondas de luz coherentes , y las convierte en alguna forma de energía interna, por ejemplo, calor o energía eléctrica. [1] [2] Es la contraparte invertida en el tiempo de un láser . [3] La absorción coherente perfecta permite el control de ondas con ondas (luz con luz) sin un medio no lineal. El concepto fue publicado por primera vez en la edición del 26 de julio de 2010 de Physical Review Letters , por un equipo de la Universidad de Yale dirigido por el teórico A. Douglas Stone y el físico experimental Hui W. Cao . [4] [5] En la edición del 9 de septiembre de 2010 de Physical Review A , Stefano Longhi de la Universidad Politécnica de Milán mostró cómo combinar un láser y un antiláser en un solo dispositivo. [6] En febrero de 2011, el equipo de Yale construyó el primer antiláser funcional. [7] [8] Es un dispositivo CPA de dos canales que absorbe dos haces del mismo láser, pero solo cuando los haces tienen las fases y amplitudes correctas. [9] El dispositivo inicial absorbía el 99,4 por ciento de toda la luz entrante, pero el equipo detrás de la invención cree que será posible lograr el 99,999 por ciento. [7] Originalmente implementado como una cavidad Fabry-Pérot que tiene muchas longitudes de onda de espesor, el CPA óptico opera a frecuencias ópticas específicas. En enero de 2012, se propuso un CPA de película delgada utilizando la dispersión acromática de materiales similares al metal, que exhibe ventajas incomparables de ancho de banda y perfil delgado. [10] Poco después, se observó CPA en varios materiales de película delgada, incluido el metamaterial fotónico , [11] grafeno multicapa , [12] capas simples [13] y múltiples [14] de cromo, así como metamaterial de microondas. [15]

La absorción perfecta coherente surge de la interferencia destructiva de las ondas transmitidas y reflejadas, que atrapa la energía de las ondas dentro de un absorbedor hasta que es absorbida.
Partes reales (n) e imaginarias (k) del índice de refracción del silicio fuertemente dopado y la absorción coherente correspondiente para un espesor de película de 150 nm. [10]

Principio antiláser y demostración

En el diseño inicial, se disparan rayos láser idénticos sobre lados opuestos de una cavidad que consiste en una oblea de silicio , un material que absorbe la luz y que actúa como un "medio de pérdida". Mientras que la luz incidente en un lado se transmitiría y reflejaría parcialmente, la iluminación simultánea de ambos lados puede resultar en una interferencia destructiva de todas las ondas transmitidas y reflejadas. Esta supresión completa de la transmisión y la reflexión atrapa la energía óptica dentro del medio de pérdida hasta que se absorbe por completo. Los fotones rebotan de un lado a otro hasta que son absorbidos y transformados en calor. [9] [7] Por el contrario, un láser normal utiliza un medio de ganancia que amplifica la luz en lugar de absorberla.

La interferencia constructiva de ondas contrapropagantes mutuamente coherentes sobre un material delgado mejora la interacción onda-materia, mientras que la interferencia destructiva la suprime.

Absorción y transmisión coherentes y perfectas en películas delgadas

Si el medio absorbente es delgado en comparación con la longitud de onda , entonces la interferencia constructiva de ondas mutuamente coherentes incidentes en lados opuestos del absorbente mejorará el nivel de absorción, mientras que la interferencia destructiva lo suprimirá. Para una película delgada de absorbente coherente ideal, la absorción se puede mejorar al 100% y suprimir hasta el 0%, donde la absorción se puede ajustar entre estos extremos ajustando la diferencia de fase entre las ondas incidentes. [11] Las condiciones necesarias para la absorción perfecta coherente incluyen que la película, cuando se ilumina solo desde un lado, actuará como un divisor de haz (con pérdida) , transmitiendo y reflejando fracciones iguales de la potencia incidente. Las condiciones necesarias para la transmisión perfecta coherente incluyen que, para la iluminación desde un lado, el 25% de la potencia incidente se transmite y refleja cada uno.

La absorción perfecta coherente en películas delgadas es ultrarrápida; se ha demostrado la absorción de pulsos de luz de ~10 femtosegundos , lo que implica que puede ofrecer un ancho de banda de alrededor de 100 THz. [16] La demostración de CPA de fotones individuales [17] indica que el efecto es compatible con intensidades arbitrariamente bajas y ha generado oportunidades para las tecnologías cuánticas. [14]

Si bien la absorción de ondas electromagnéticas suele considerarse, el concepto también es aplicable a otras ondas (como las ondas sonoras [18] ) y otros fenómenos. De hecho, como la interferencia constructiva y destructiva de las ondas en un material delgado mejora y suprime la interacción onda-materia, cualquier efecto del medio sobre la onda puede controlarse de esta manera, incluidos los efectos de polarización asociados con la quiralidad y la anisotropía [19] , así como la refracción [20] y los fenómenos ópticos no lineales [21] .

Aplicaciones

Los absorbentes coherentes perfectos se pueden utilizar para construir interferómetros absorbentes, que podrían ser útiles en detectores, transductores e interruptores ópticos. [4] Otra aplicación potencial es en radiología, donde el principio del CPA podría utilizarse para apuntar con precisión la radiación electromagnética dentro de los tejidos humanos con fines terapéuticos o de obtención de imágenes. [7]

La integración de absorbentes perfectos coherentes delgados en guías de ondas [22] ha permitido realizar demostraciones de principio de criptografía y procesamiento de señales completamente óptico de bajo consumo y rápido [23] , mientras que la integración de CPA con sistemas de imágenes [24] ha permitido realizar demostraciones de enfoque completamente óptico, [25] reconocimiento de patrones y procesamiento de imágenes [26] y procesamiento de señales completamente óptico en paralelo masivo. En principio, estas aplicaciones pueden ofrecer un ancho de banda extremadamente alto y un bajo consumo de energía.

Referencias

  1. ^ Gmachl, Claire F. (2010). "Ciencia láser: adictos a la luz". Nature . 467 (7311): 37–39. Bibcode :2010Natur.467...37G. doi : 10.1038/467037a . PMID  20811446.
  2. ^ "He aquí el antiláser". Noticias de ciencia. Archivado desde el original el 15 de noviembre de 2012. Consultado el 7 de septiembre de 2010 .
  3. ^ Longhi, Stefano (2010). "La emisión láser hacia atrás produce un absorbedor perfecto". Física . 3 : 61. Bibcode :2010PhyOJ...3...61L. doi : 10.1103/Physics.3.61 .
  4. ^ ab Chong, Y.; Ge, Li; Cao, Hui; Stone, A. (2010). "Absorbedores perfectos coherentes: láseres con inversión temporal". Physical Review Letters . 105 (5): 053901. arXiv : 1003.4968 . Código Bibliográfico :2010PhRvL.105e3901C. doi :10.1103/PhysRevLett.105.053901. PMID  20867918. S2CID  17003350.
  5. ^ Stefano Longhi (2010). "La emisión láser hacia atrás produce un absorbedor perfecto". Física . 3 : 61. Bibcode :2010PhyOJ...3...61L. doi : 10.1103/Physics.3.61 .
  6. ^ Stefano Longhi (2010). "Absorbedor láser PT-simétrico". Physical Review A . 82 (3): 031801. arXiv : 1008.5298 . Código Bibliográfico :2010PhRvA..82c1801L. doi :10.1103/PhysRevA.82.031801. S2CID  119157414.(Sinopsis de Mark Saffman.)
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  8. ^ "Los científicos construyen el primer antiláser del mundo". BBC. 17 de febrero de 2011. Consultado el 17 de febrero de 2011 .
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