Si se quiere utilizar la luz de forma eficiente, hay que absorberla lo más completamente posible. Esto se aplica tanto si la luz se utiliza para la fotosíntesis -en la que las plantas verdes transforman la luz en oxígeno y compuestos orgánicos ricos en energía- como en un sistema fotovoltaico que utiliza paneles solares para convertir la luz solar en electricidad. Sin embargo, esto es difícil si la absorción debe tener lugar en una fina capa de material que normalmente deja pasar una gran parte de la luz.
Ahora, equipos de investigación de la Universidad Hebrea de Jerusalén y la Universidad Tecnológica de Viena (TU Wein) han encontrado un truco sorprendente que permite absorber completamente un haz de luz incluso en las capas más finas.
Construir una trampa de luz perfecta
Construyeron una “trampa de luz” alrededor de una capa delgada utilizando espejos y lentes en los que el haz de luz se dirige en un círculo y luego se superpone a sí mismo, exactamente de tal manera que el haz de luz se bloquea y ya no puede salir del sistema.
Como resultado, la luz no tiene más remedio que ser absorbida por la fina capa. No hay otra salida. Este método de absorción-amplificación, que acaba de publicarse en la revista científica Science con el título “Massively degenerate coherent perfect absorber for arbitrary wavefronts”, es el resultado de una fructífera colaboración entre los dos equipos.
El enfoque fue sugerido por el profesor Ori Katz de la Universidad Hebrea y conceptualizado con el profesor Stefan Rotter de la Universidad Técnica de Viena. El experimento fue realizado por el equipo del laboratorio de Jerusalén, mientras que los cálculos teóricos fueron realizados por el equipo de Viena.
“Absorber la luz es fácil cuando choca con un objeto sólido”, explicó Rotter. “Un grueso jersey de lana negra puede absorber fácilmente la luz. Pero en muchas aplicaciones técnicas, sólo se dispone de una fina capa de material, y se quiere que la luz sea absorbida exactamente en esta capa”.
Ya ha habido intentos de mejorar la absorción de los materiales. Por ejemplo, se puede colocar el material entre dos espejos. La luz se refleja una y otra vez entre los dos espejos, pasando por el material cada vez y teniendo así más posibilidades de ser absorbida.
Sin embargo, para ello, los espejos no deben ser perfectos. Uno de ellos tiene que ser parcialmente transparente, ya que de lo contrario la luz no puede penetrar en absoluto en la zona entre los dos espejos. Pero esto también significa que cada vez que la luz incide en este espejo parcialmente transparente, parte de la luz se pierde.
Para evitarlo, se pueden utilizar las propiedades ondulatorias de la luz de forma sofisticada.
“En nuestro enfoque, somos capaces de cancelar todas las retro-reflexiones mediante la interferencia de ondas”, dijo Katz.
Helmut Hörner, de la Universidad Técnica de Viena, que escribió su tesis sobre este tema, señaló: “También en nuestro método, la luz cae primero en un espejo parcialmente transparente. Si simplemente se envía un rayo láser a este espejo, se divide en dos partes: La parte más grande se refleja, y una parte más pequeña penetra en el espejo”.
Esta parte del haz de luz que penetra en el espejo se envía ahora a través de la capa de material absorbente y luego se devuelve al espejo parcialmente transparente con lentes y otro espejo.
Según explican Yevgeny Slobodkin y Gil Weinberg, los estudiantes de posgrado que construyeron el sistema en Jerusalén, lo crucial es que la longitud de este camino y la posición de los elementos ópticos se ajusten de tal manera que el haz de luz que regresa y sus múltiples reflejos entre los espejos anulen exactamente el haz de luz reflejado directamente en el primer espejo.
Los dos haces parciales se superponen de tal manera que la luz se bloquea, aunque el espejo parcialmente transparente por sí solo reflejaría una gran parte de la luz, esta reflexión se hace imposible por la otra parte del haz que viaja a través del sistema antes de volver al espejo parcialmente transparente.
Así, el espejo, que antes era parcialmente transparente, se convierte ahora en completamente transparente para el rayo láser incidente. Esto crea una vía de sentido único para la luz. El haz de luz puede entrar en el sistema, pero luego ya no puede escapar debido a la superposición de la parte reflejada y la parte guiada a través del sistema en un círculo.
Como resultado, la luz no tiene más remedio que ser absorbida: todo el rayo láser es engullido por una fina capa que, de otro modo, permitiría el paso de la mayor parte del rayo.
Según Rotter, “el sistema tiene que ajustarse exactamente a la longitud de onda que se quiere absorber. Pero aparte de eso, no hay requisitos limitantes. El rayo láser no tiene que tener una forma específica, puede ser más intenso en algunos lugares que en otros; siempre se consigue una absorción casi perfecta”.
Y añadió: “El sistema tiene que estar ajustado exactamente a la longitud de onda que se quiere absorber. Pero aparte de eso, no hay requisitos limitantes. El rayo láser no tiene que tener una forma específica, puede ser más intenso en algunos lugares que en otros: siempre se consigue una absorción casi perfecta”.
Ni siquiera las turbulencias del aire y las fluctuaciones de temperatura pueden dañar el mecanismo, como se demostró en los experimentos realizados en la Universidad Hebrea. Esto demuestra que se trata de un efecto robusto que promete una amplia gama de aplicaciones. Por ejemplo, este mecanismo podría incluso ser muy adecuado para captar perfectamente las señales de luz que se distorsionan durante su transmisión a través de la atmósfera terrestre. El nuevo enfoque también podría ser de gran utilidad práctica para alimentar de forma óptima las ondas luminosas procedentes de fuentes de luz débiles, como estrellas lejanas, en un detector.