Rieth József: Anyagvilág - Háttérinformáció

Mágneses tükrök

TartalomjegyzékhezVilágképem <  Anyag-időszak     

A Sandia Nemzeti Laboratórium fizikusai olyan új típusú tükröt fejlesztettek ki, amely az infravörös tartományban a hétköznapi hagyományos tükröktől eltérő módon veri vissza a fényt, s ennek alapján újfajta optoelektronikai eszközök alapjául szolgálhat.

Mint azt a kutatók az (amerikai) Optikai Társaság (OSA) Optica nevű folyóiratában ismertették, az újfajta tükör alapvetően abban különbözik a hagyományos fémtükröktől, hogy rajta a fény visszaverődése nem egy sima, fényes fémfelületnek a fényhullámban rezgő elektromos mezővel való kölcsönhatásán alapul, hanem a fényhullámban rezgő mágneses mezőnek egy mesterségesen megépített, nem fémes jellegű metaanyaggal való mágneses kölcsönhatásán.

Emiatt az így létrehozott „mágneses tükör" másként is veri vissza a fényt, mint a hagyományos tükrök, s ennek köszönhetően velük újfajta napelemek, kémiai érzékelők, lézerek és egyéb optoelektronikai eszközök építhetők majd — egyelőre az infravörös tartományban, de a kutatók reményei szerint ez a későbbiekben az optikai tartományra is kiterjeszthető lesz.

Mint azt a kutatócsoportot vezető Michael Sinclair és Igal Brener elmondták, a mágnestükör működése alapvetően egy mesterségesen felépített metaanyagon alapul, amely egy nem fémes felületen szabályos négyzethálózatba rendezett nanoméretű, kocka alakú rezonátorokból áll: a tellúrból készült nanorezonátorok mérete kisebb az infravörös fény hullámhosszánál.

„Alapvetően a nanorezonátorok mérete, alakja és a felületen való elhelyezésük rendje szabja meg a metaanyag mágneses és elektromos tulajdonságait, és azon keresztül a szerkezet kölcsönhatását az infravörös fénnyel" — magyarázta Sinclair.

A hagyományos tükrök esetében a fény visszaverődését a felületről a fényvektornak (az elektromos mező vektorának) a fém szabad töltéshordozóival való kölcsönhatása határozza meg, melynek során a fényvektor fázisa ellentétesre fordul. Ezt a fázisváltást ugyan az emberi szem nem érzékeli, de a fémfelületen azzal a következménnyel jár, hogy a beeső és a visszavert hullámok elektromos mezői a felületen éppen kioltják egymást, így a felszínen elhelyezett nanoméretű antennák vagy kvantumpöttyök a fénnyel ott mint a hagyományos tükrök, s ott nem lépnek kölcsönhatásba.

„Egy mágneses tükör esetében viszont ez a fázisváltás, és ennek eredményeként az elektromos mező kioltása nem következik be, hanem éppen ellenkező hatás lép fel, amelynek eredményeként a mágneses tükör felszínénél a fény elektromos mezője erős, ami lehetővé teszi az elektromágneses hullám energiájának hatékony abszorpcióját, s ezen alapuló újfajta eszközök létrehozását" — mondta Brener.

Sajnos a természetben nincsenek olyan anyagok, amelyek a fénnyel mágnesesen hatnának kölcsön. (Jóllehet hallhatunk/olvashatunk „mágneses" tükrökről, rezonátorokról vagy csapdákról, azok elektromosan töltött részecskéket vernek vissza vagy gyűjtenek össze, a fény elektromosan semleges részecskéit, a fotonokat szabadon átengedik.

Elektromágneses sugárzások számára is működő mágneses kölcsönhatáson alapuló tükröket elsőként a hosszabb mikrohullámok tartományában sikerült létrehozni, majd ezt kis, halpikkely alakú fémlemezekből álló szerkezetekkel a rövidebb mikrohullámok tartománya felé kiterjeszteni — ám az utóbbi próbálkozások már a jelek erőteljes elnyelődésével és torzulásával jártak.

A Sandia kutatóinak mostani áttörése alapvetően különbözik ezektől a korábbi próbálkozásoktól: egyáltalán nem tartalmaz fémes elemeket, a fény mágneses vektorával való erőteljes kölcsönhatást egy kétdimenziós rácsban elrendezett nanoméretű tellúr-rezonátorok biztosítják.

A tellúr félvezető anyag, rajta a jelveszteség kicsi, és a metaanyag szerkezeti paramétereinek megfelelő beállításával elérhető, hogy az infravörös hullámokra a visszaverőképessége nagy legyen: így a felszín közelében erős elektromos tér jön létre. További előny, hogy a metaszerkezet a nanotechnológiai iparban szokványosan alkalmazott litográfiai eljárásokkal gyártható le.

A mágneses tükörként viselkedő metaanyag kétdimenziós rácsba rendezett

tellúr nanorezonátorokból épül fel. A mágneses tükörként viselkedő metaanyagról (balra),

illetve a fémtükörről (jobbra fent) visszavert fény közti alapvető különbség:

az elektromos térerősség iránya (amelyet a váltakozó vörös és fehér sávok jeleznek)

a hagyományos tükörnél ellentétesre fordul, míg a mágnesesnél nem (fantáziakép)

KÉPEK: S. LIU ETAL.

Ebben az elrendezésben a nanorezonátorok lényegében olyan mesterséges atomokként viselkednek, amelyek az atomokhoz hasonlóan elnyelik, majd kisugározzák a fotonokat, de lényeges különbség, hogy eközben a fény fázisát és az elektromos térerősség irányát nem fordítják ellenkezőre.

Így annak igazolására, hogy a metaszerkezet valóban mágneses tükörként viselkedik, a kutatóknak azt kellett igazolniuk, hogy a beérkező és a visszavert hullámok között nem történt fázisváltás. Ezt egy meglehetősen bonyolult, eredetileg a terahertzes tartományra kidolgozott idő-domén spektroszkópiai eljárással sikerült is elérniük.

A továbbiakban a kutatók szeretnék a technológiát még rövidebb, a látható fény tartományába eső optikai hullámhosszakra is kiterjeszteni. „Amennyiben sikerülne az optikai tartományban működő mágneses tükröket kifejleszteni, úgy azok számos alkalmazási területen áttörést hozhatnak: belőlük kisebb fényérzékelőket, hatékonyabb napelemeket és újfajta lézereket is építhetnénk" — összegezte Sinclair.

TartalomjegyzékhezVilágképem <  Anyag-időszak     

-------------------

Forrás: www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/ news_releases/2014/ magnetic_mirrors_enable_ new_technologies_by_reflec/

Élet és Tudomány ■ 2014/45 - 1411