Forskere anviser metode til 'umulig' ensretning af lysbølger
En ’diode’ til ensretning af lysbølger strider umiddelbart mod fysikkens love, men italienske forskere har fundet frem til en asymmetrisk, ikke-lineær krystal, der kan gøre det tilsyneladende umulige.
Computersimulation af en optisk ensretter: Et signal, der kommer ind fra venstre, transmitteres stort set uforstyrret gennem den asymmetriske, ikke-lineære krystal. Det meste af et signal, der kommer ind fra højre, reflekteres derimod. (Ill. Stefano Lepri og Giulio Casati).
Læs også
Læs mere om
Dokumentation
To italienske forskere er kommet op med et smart forslag, der gør det muligt at ensrette lys.
Princippet kan udnyttes til kvantecomputere baseret på lys, men forskerne peger også på, at det i en version tilpasset akustiske bølger kan bruges til at lave effektive lydafskærmninger.
Selv om Stefano Lepri og Giulio Casati fra henholdsvis Instituto dei Sistemi Complessi i Firenze og Università degli Studi dell’Insubria i Como ’kun’ har beskrevet en teoretisk undersøgelse i en artikel i Physical Review Letters 22. april, så er det alligevel et resultat, der har vakt opmærksomhed.
Ensretning af lys (fotoner) strider nemlig mod Lorentz reprocitetsteorem, der siger, at elektromagnetiske bølger bevæger sig lige så godt den ene som den anden vej – reprocitetsteoremet forklarer bl.a., hvorfor en antenne virker lige så godt som sender som modtager.
Reprocitetsteoremet gælder dog kun for lineære medier, så Lepri og Casati har analyseret ikke-lineære materialer.
Det har andre forskere også gjort tidligere – uden dog at komme frem med et afgørende gennembrud.
Nogle forskere har eksempelvis studeret krystaller baseret på nanostrukturer. I sådanne krystaller kan der i visse tilfælde dannes signaler med den dobbelte frekvens af det indkommende signal – og dette såkaldte anden harmoniske signal kan kun transmitteres i den ene retning.
Men det oprindelige optiske bølge kunne uden problemer bevæge sig begge veje i krystallen. Så en ægte ensretter var der ikke tale om.
Asymmetrisk krystal
Lepri og Casasti forestiller sig en lagdelt krystal, der i midten er ikke-lineær og asymmetrisk og i begge ender er lineær.
Ikke-lineariteten dækker over, at lysets transmisionsegenskaber afhænger af lysets intensitet eller amplituden af den elektromagnetiske bølge.
Passagen gennem den ikke-lineære del af krystallen er derfor kun optimal, hvis lysets frekvens rammer en bestemt resonans-frekvens, som afhænger af amplituden af lysbølgen.
Hvis den ikke-lineære midtersektion er asymmetrisk, er denne sammenhæng mellem resonansfrekvens og amplitude forskellig for bølger, der går den ene eller den anden vej gennem krystallen.
I en computersimulation har de to italienere vist, at i en krystal med kun to ikke-lineære lag i midten, kan man opnå transmission af 80 pct. af lyset i en retning mod kun 30 pct. i den anden retning.
»Øger man antallet af lag, øges kompleksiteten af løsningerne betragteligt,« skriver Lepri og Casati artiklens resumé.
Panayotis Kevrekidis fra University of Massachusetts, Amhurst forklarer til American Physical Society’s nyhedssite Physical Review Focus, at der ikke behøver at tage lang tid, før teorien kan testes eksperimentel.
»Der findes laboratorieopstillinger, der med en lille justering let kan undersøge dette,« siger han.
