Viditelné světlo s nekonečnou vlnovou délkou  
Vrstvením stříbra a nitridu křemíku v nanovrstvách připravili vědci z ústavu FOM AMOLF a University of Pennsylvania metamateriál, který poskytuje viditelné světlo o téměř nekonečné vlnové délce.

 

Zvětšit obrázek
Efektivní permitivita metamateriálu Ag / SiN při různé tloušťce vrstvy a vlnová délka. (Kredit: Fundamental Research on Matter - FOM)

To, jak se světlo v materiálu šíří, závisí na fázové a grupové rychlosti.  Grupová rychlost je rychlost přenosu energie (vlněním). Grupová rychlost přenosu energie nemůže být větší než rychlost světla ve vakuu. Tím se liší od fázové rychlosti. V kvantové mechanice se pohyb částice popisuje pomocí vln, jejichž grupová rychlost odpovídá její klasické rychlosti. Přenosem energie lze šířit signály. Obecně grupová rychlost závisí na vlnové délce, takže vlny o  různých frekvencích se mohou pohybovat různě rychle.
Fázová rychlost popisuje, jak se vrcholy vln a jejich „protikusy“ v daném materiálu šíří. Zatímco rychlost grupová zase popisuje transport energie. Předpoklad, že přenos energie nemůže být nikdy rychlejší než rychlost světla, vyplývá z Einsteinových  ​​zákonů. Ze stejného důvodu je tedy grupová rychlost omezena. Žádné takové omezení se ale nevztahuje na fázovou rychlost. Když fázová rychlost klesá k nule, ustává pohyb vrcholů vln (tedy píků na obě strany). Když je naopak nekonečná, tak vlnová délka dosahuje velice vysokých hodnot. V přírodě se ale žádné materiály s těmito speciálními vlastnostmi nevyskytují.

 

Spustit animace ZDE
Ilustrace dvoufrekvenční vlny pro pochopení rozdílu mezi fázovou a grupovou rychlostí. Červená tečka se pohybuje fázovou rychlostí, zatímco zelená grupovou rychlostí.


Metamateriál ze stříbra a nitridu ale vědcům dovoluje sledova charakteristiku světla po průchodu elementárními strukturami, které jsou menší než je jeho vlnová délka. Průchod světla různými druhy materiálů závisí na jejich permitivitě: odporu materiálu kladenému elektrickému poli světelných vln.

Zvětšit obrázek
Pohled na metamateriál v elektronovém mikroskopu. Vrstvy stříbra a nitridu křemíku jsou viditelné jako světlé a tmavé pruhy. (Kredit: Fundamental Research on Matter – FOM)

Stříbro má permitivitu negativní a nitrid křemíku pozitivní, takže lze jejich kombinací docílit, že permitivita výsledného materiálu je prakticky rovna nule. Zdá se, že světlu klade nulový odpor, a že se v něm šíří s nekonečnou fázovou rychlostí. Výsledkem je tedy jeho téměř nekonečná vlnová délka.

 

Nový metamateriál byl vyroben „frézováním“ pomocí iontového svazku. Tato technologie umožňuje vrstvit různé struktury materiálu v nanometrových vsrtvách.  Na skutečnost, že se světlo opravdu  v metamateriálu šíří bez významné změny fáze, což odpovídá téměř nekonečné vlnové délce, přišli díky speciálně konstruovanému interferometru. Od nového poznatku si vědci slibují, že by mohl najít uplatnění v nových optických prvcích, obvodech a v účinnějších LED-diodách.

 

Literatura:
Experimental realization of an epsilon-near-zero metamaterial at visible wavelengths, DOI: 10.1038/NPHOTON.2013.256
Nature Photonics
Fundamental Research on Matter (FOM)


 

Datum: 14.10.2013 08:39
Tisk článku

Světlo po kapsách - Miroslav Karel
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 99 Kč
cena: 83 Kč
Světlo po kapsách
Miroslav Karel
Související články:

Fyzici stvořili novou formu světla     Autor: Stanislav Mihulka (18.02.2018)
Nové zařízení vytváří kvazičástice se „zápornou hmotností“     Autor: Stanislav Mihulka (15.01.2018)
Nová metačočka ohýbá paprsky všech barev duhy     Autor: Stanislav Mihulka (02.01.2018)
"Přes pole blíž, po silnici spíš" u světla neplatí     Autor: Josef Pazdera (13.11.2017)
Věda o pěstování rostlin pod světlo emitujícími diodami (LED)     Autor: Václav Diopan (06.01.2017)



Diskuze:

ad animace a grupová rychlost

Pavel Brož,2013-10-14 23:21:52

K té animaci je nutné doplnit několik údajů. Tak především ty tečky se vůči sobě pohybují jenom kvůli tomu, že obě vlny (jak u obrázku zmíněno, každá má jinou frekvenci) se pohybují různou rychlostí. To samo o sobě neplyne z různosti těch frekvencí, to je informace navíc. Tak např. dvě elektromagnetické vlny ve vakuu nebo v nedisperzním prostředí se pohybují toutéž rychlostí bez ohledu na jejich frekvenci. V disperzním prostředí ale rychlost elektromagnetické vlny závisí na její frekvenci (díky tomu taky nastává rozklad bílého světla na skleněném hranolu, protože rychlost různých barevných složek světla se ve skle mírně liší).

Takže pokud bychom pozorovali třeba superpozici vlny odpovídající modrému světlu a vlny odpovídající červenému světlu, jak se pohybují třeba ve skle, tak bychom pozorovali něco takového, jako je ukázáno na té animaci. Pokud bychom ale pozorovali tutéž superpozici ve vakuu anebo v prostředí, kde se obě vlny pohybují toutéž rychlostí, tak pak bychom pozorovali, že červená a zelená tečka se pohybují toutéž rychlostí, která by byla stejná, jako rychlost původních vln.
Takže tu animaci je nutno chápat jenom jako pomocnou ilustraci, pro popis skutečné superpozice dvou vln musíme ještě něco dodat.

Jinak co se týče té grupové rychlosti, že nesmí být větší než rychlost světla ve vakuu, tak to také není obecně pravda, platí to ve skutečnosti pouze v bezztrátovém prostředí. Za velmi specifických případů může díky nelineárním efektům dojít k následujícímu efektu: elektromagnetická vlna vstoupí do silně nelineárního prostředí, ve kterém čelo té vlny interakcí s tím prostředím způsobí silný útlum zbytku vlny. Takže to může vypadat třeba tak, že do prostředí putuje Gaussovský vlnový balík nějaké délky, ovšem díky interakci s tím nelineárním prostředím dojde k silnému útlumu toho balíku už kousek za tím čelem. Prakticky si to můžeme představit, že výsledný balík je mnohem menší, než ten vstupní, a je namáčknutý k čelu toho původního balíku (a samozřejmě, celý ten výsledný balík se nachází POD konturami toho původního balíku). Grupovou rychlost si můžeme představit jako rychlost „těžiště“ toho vlnového balíku, tzn. že pokud se nám původní široký balík „zdrcne“ na mnohem menší balíček namáčknutý k čelu toho původního, tak potom lze docílit nadsvětelné grupové rychlosti.

Ani v tomto případě ale nedojde k přenosu informace či energie nadsvětelnou rychlostí, a to právě proto, že ten výsledný zmenšený balíček nevycestuje z kontur toho původního (tzn. že čelo toho zmenšeného balíku nedorazí dříve, než by dorazilo čelo toho původního balíku). Na tomto fenoménu je pak založena svého času fascinující zpráva, kterak výzkumník Günter Nimtz „přenesl“ Mozartovu 40. symfonii rychlostí 4,7 c:

http://en.wikipedia.org/wiki/G%C3%BCnter_Nimtz#Experiments_related_to_superluminal_quantum_tunneling

Odpovědět

Fázová délka vs. fázová rychlost

Martin Plec,2013-10-14 12:36:59

Jak souvisí nekonečná fázová délka světla s jeho nekonečnou fázovou rychlostí? Když se budu inspirovat uvedenou animací fázové vs. grupové rychlosti, tak kdyby jednotlivé pohybující se grupové balíčky měly stále stejný tvar (tj. uvnitř by se nevlnily), tak by fázová vlnová délka byla nekonečná, ale fázová rychlost by byla stejná jako grupová rychlost.

V článku se ale asi myslí situace, kdy se zastaví vrcholky vln, jen se v důsledku pohybu vlnových grup mění jejich výška. Kdyby se v tomto případě poslal foton o jiné energii, informace o změně fáze by se materiálem šířila grupovou rychlostí, nikoli nekonečnou.

Takže mluvit o nekonečné fázové rychlosti mi připadá zavádějící. A nebo je zavádějící ta animace?

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni


















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace