Les antennes radio peuvent-elles émettre de la lumière visible

Question

Les antennes radio peuvent émettre de la lumière visible, mais probablement pas de la façon dont vous pensez. Si vous pompez suffisamment d'énergie dans une antenne radio, vous pouvez le chauffer jusqu'à ce qu'il brille et émette de la lumière visible par le processus de rayonnement thermique. toutefois, une antenne radio ordinaire ne peut pas émettre de lumière visible qui transporte des informations, semblable à ce qu'il fait avec les ondes radio. Il y a, toutefois, d'autres appareils qui peuvent le faire.

Comme vous l'avez peut-être appris, les ondes électromagnétiques ont de nombreuses fréquences différentes, de la radio, infrarouge, visible, et ultraviolet aux rayons X et rayons gamma. La lumière rouge émise par un bâton lumineux est fondamentalement la même que l'onde radio émise par votre routeur Wi-Fi. Les deux sont des ondes électromagnétiques. La lumière rouge a juste une fréquence beaucoup plus élevée que l'onde radio (la fréquence est une mesure du nombre de cycles que l'onde effectue chaque seconde). Parce qu'ils sont fondamentalement les mêmes, vous pourriez être tenté de conclure que vous pouvez obtenir une antenne radio pour émettre une lumière visible contrôlée en augmentant simplement la fréquence du circuit qui pilote l'antenne. Bien que cela ait du sens à première vue, la réalité des propriétés matérielles des antennes fait obstacle. Une antenne radio fonctionne en utilisant des circuits électriques pour pousser les électrons vers le haut et vers le bas de l'antenne, faisant monter et descendre les champs électriques des électrons. Ces champs électriques oscillants se propagent ensuite sous forme d'ondes radio électromagnétiques. La fréquence de l'onde radio est égale à la fréquence à laquelle vous poussez les électrons de haut en bas de l'antenne.

Une antenne radio de routeur Wi-Fi typique émet des ondes radio qui ont une fréquence de 2.4 GHz (2.4 milliards de cycles par seconde), qui correspond à une longueur d'onde de 12.5 centimètres. En général, une antenne radio émet des ondes plus efficacement lorsque sa longueur est égale à la longueur d'onde de l'onde radio, ou à la moitié ou au quart de la longueur d'onde. Il ne faut donc pas s'étonner que les antennes de votre routeur Wi-Fi soient à peu près 12.5 centimètres de long. En revanche, la longueur d'onde de la lumière bleue est d'environ 470 nanomètres. Pour vous donner une idée, c'est cent fois plus petit que la plus petite cellule de votre corps. La lumière bleue a une longueur d'onde qui est d'environ 300,000 fois plus petite que celle d'une onde radio Wi-Fi. Une antenne radio de taille normale est tout simplement trop grande pour émettre efficacement de la lumière visible en raison de cette différence de taille, même si nous avons réussi à surmonter les problèmes matériels. Vous pensez peut-être que nous pourrions simplement réduire la taille de l'antenne pour correspondre à la longueur d'onde de la lumière visible, mais une telle antenne ne devrait être que 1000 atomes de long. Faire une si petite antenne est difficile, mais pas impossible. Le domaine émergent des nanoantennes plasmoniques accomplit cette tâche même, comme j'en parlerai à la fin de cet article. Même si vous réussissez à fabriquer une si petite antenne, vous avez encore besoin de construire un circuit électronique capable de faire monter et descendre les électrons de l'antenne à la bonne fréquence. La fréquence de la lumière bleue est d'environ 640 THz (640 milliards de cycles par seconde). Les circuits électroniques ne peuvent conduire que des courants électriques qui oscillent au mieux dans les centaines de GHz (des centaines de milliards de cycles par seconde). Si tu essaies d'aller plus haut, les circuits électroniques cessent de fonctionner parce que les propriétés matérielles des composants du circuit changent.

Même si vous avez réussi à fabriquer une antenne radio suffisamment petite pour correspondre à la longueur d'onde de la lumière bleue et que vous avez réussi à créer un appareil capable de piloter des électrons à la fréquence de la lumière bleue, il y a encore un problème majeur qui entrave: la structure atomique du matériau de l'antenne. Pour les oscillations électroniques à grande longueur d'onde, le matériau de l'antenne semble uniforme et manque de résistance significative. En revanche, pour les oscillations à l'échelle nanométrique, les électrons sont plus susceptibles de heurter les atomes et de perdre leur énergie au profit des atomes avant qu'ils n'aient la possibilité d'émettre leur énergie sous forme de lumière. Le mouvement ordonné des électrons est rapidement transféré à un mouvement désordonné des atomes. Macroscopiquement, on dit que quand la fréquence est trop élevée, la majeure partie de l'énergie électrique est convertie en chaleur perdue avant d'avoir une chance d'être émise sous forme de lumière.

Les trois principaux obstacles sont donc: la petite taille nécessaire pour l'antenne, la difficulté à trouver un moyen de conduire les électrons à haute fréquence, et la tendance des électrons à haute fréquence à perdre leur énergie pour chauffer. Ces obstacles peuvent être surmontés dans une certaine mesure en utilisant trois approches différentes: (1) enfermer les électrons dans de petits, états atomiques/moléculaires localisés où ils ne peuvent pas autant heurter les atomes, puis entraîner les oscillations d'électrons en utilisant le fait qu'ils oscillent naturellement lorsqu'ils passent d'un état à l'autre, (2) tirer les électrons à travers un vide à grande vitesse devant des aimants, et (3) construire à l'échelle nanométrique, des antennes de forme précise et pilotent les oscillations électroniques à l'aide de la lumière incidente.

La première méthode est exactement comment fonctionne un laser traditionnel. Les matériaux sont choisis là où certains électrons sont verrouillés dans des états utiles. Les électrons sont excités vers de nouveaux états puis stimulés pour retomber dans leurs états d'origine. Plutôt que d'osciller entre deux points de l'espace, les électrons d'un laser traditionnel oscillent entre deux états atomiques/moléculaires. Ce type différent d'agitation permet à la fréquence d'oscillation d'être élevée et aide à empêcher les électrons de se cogner contre les atomes., perdant ainsi leur énergie en chaleur. Le problème des collisions d'électrons avec des atomes est toujours un problème dans les lasers (les scientifiques appellent cet effet “émission de phonons”), mais ce n'est pas un obstacle insurmontable. Parce que les lasers sont des sources contrôlées de lumière visible, ils peuvent être utilisés pour envoyer des informations similaires à la façon dont les ondes radio transportent des informations. En réalité, les câbles à fibres optiques contiennent des faisceaux lumineux porteurs d'informations créés par des lasers (même si, la plupart des fibres optiques utilisent la lumière infrarouge plutôt que la lumière visible pour des raisons d'efficacité). Les lasers peuvent également être utilisés pour envoyer de la lumière visible porteuse d'informations à travers l'espace libre. Cette configuration est appelée communication sans fil optique.

La deuxième méthode est de savoir comment fonctionne un laser à électrons libres. Dans ce cas, les électrons sont projetés dans le vide à très grande vitesse, puis une série d'aimants sont appliqués pour faire osciller les électrons d'avant en arrière à haute fréquence, émettant ainsi de la lumière visible. Un laser à électrons libres conçu pour forcer les électrons à se tortiller 640 THz émettra en effet de la lumière bleue de manière contrôlée. Comme les lasers à électrons libres ont besoin de chambres à vide et d'accélérateurs d'électrons de grande puissance pour fonctionner, les lasers à électrons libres sont principalement utilisés en laboratoire.

La troisième méthode est le fonctionnement des nanoantennes plasmoniques. Parmi tous les appareils qui émettent de la lumière visible de manière contrôlée, les nanoantennes plasmoniques sont les plus proches des antennes radio traditionnelles. Une nanoantenne plasmonique est une échelle nanométrique, antenne métallique de forme précise dans laquelle sont excitées des résonances de plasma (oscillations électroniques groupées). Étant donné que les nanoantennes plasmoniques reposent sur des électrons qui oscillent entre un point de l'espace et un autre, tout comme les antennes radio traditionnelles, la perte thermique reste un problème majeur lorsqu'ils fonctionnent à des fréquences de lumière visible. Pour cette raison, les nanoantennes plasmoniques optiques sont encore des bizarreries de laboratoire et ne sont pas des sources pratiques de lumière visible contrôlée. Les lasers étant de moins en moins chers, petit, et fiable, il n'y a pas vraiment de motivation pour développer des nanoantennes plasmoniques pour émettre de la lumière visible porteuse d'informations. en outre, car les circuits électroniques ne peuvent pas fonctionner à des fréquences optiques, les nanoantennes plasmoniques ne peuvent pas être excitées en les connectant à un circuit électronique. Ils doivent être excités en étant frappés par la lumière incidente. De cette façon, les nanoantennes plasmoniques ne sont pas du tout comme les antennes traditionnelles. Ils ressemblent plus à des objets diffusants.

Notez qu'il existe de nombreuses autres façons de créer de la lumière visible; les feux, ampoules à incandescence, ampoules fluorescentes, tubes à décharge de gaz, réactions chimiques; mais aucun de ces moyens ne crée de lumière visible de manière contrôlée (à savoir. lumière visible cohérente) de sorte que beaucoup d'informations peuvent être transportées sur les ondes lumineuses, semblable à ce qui se fait avec les ondes radio.

Crédit:https://wtamu.edu/~cbaird/sq/2015/10/02/can-radio-antennas-emit-visible-light/

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