Le antenne radio possono emettere luce visibile

Le antenne radio possono emettere luce visibile, ma probabilmente non nel modo in cui stai pensando. Se si pompa abbastanza energia in un'antenna radio, puoi riscaldarlo finché non si illumina ed emette luce visibile attraverso il processo di radiazione termica. tuttavia, una normale antenna radio non può emettere luce visibile che trasporta informazioni, simile a come fa con le onde radio. Ci sono, tuttavia, altri dispositivi che possono farlo.

Come forse avrai imparato, le onde elettromagnetiche sono disponibili in molte frequenze diverse, dalla radio, infrarossi, visibile, e dall'ultravioletto ai raggi X e ai raggi gamma. La luce rossa emessa da un bastoncino luminoso è fondamentalmente la stessa dell'onda radio emessa dal router Wi-Fi. Entrambe sono onde elettromagnetiche. La luce rossa ha solo una frequenza molto più alta dell'onda radio (la frequenza è una misura di quanti cicli l'onda completa ogni secondo). Perché sono fondamentalmente la stessa cosa, potresti essere tentato di concludere che puoi fare in modo che un'antenna radio emetta luce visibile controllata semplicemente alzando la frequenza del circuito che guida l'antenna. Mentre questo ha senso a prima vista, la realtà delle proprietà materiali delle antenne si intromette. Un'antenna radio funziona utilizzando circuiti elettrici per spingere gli elettroni su e giù per l'antenna, facendo ondeggiare anche i campi elettrici degli elettroni. Questi campi elettrici oscillanti si allontanano poi come onde radio elettromagnetiche. La frequenza dell'onda radio è uguale alla frequenza alla quale si spingono gli elettroni su e giù per l'antenna.

Una tipica antenna radio del router Wi-Fi emette onde radio che hanno una frequenza di 2.4 GHz (2.4 miliardi di cicli al secondo), che corrisponde a una lunghezza d'onda di 12.5 centimetri. In generale, un'antenna radio emette onde in modo più efficiente quando la sua lunghezza è uguale alla lunghezza d'onda dell'onda radio, oa metà o un quarto della lunghezza d'onda. Non dovrebbe quindi sorprendere che le antenne sul tuo router Wi-Fi siano in giro 12.5 centimetri di lunghezza. In contrasto, la lunghezza d'onda della luce blu è di circa 470 nanometri. Per darti un'idea, questo è cento volte più piccolo della cellula più piccola del tuo corpo. La luce blu ha una lunghezza d'onda che è circa 300,000 volte più piccolo di quello di un'onda radio Wi-Fi. Un'antenna radio di dimensioni normali è semplicemente troppo grande per emettere luce visibile in modo efficiente a causa di questa discrepanza dimensionale, anche se siamo riusciti a superare i problemi materiali. Potresti pensare che potremmo semplicemente ridurre le dimensioni dell'antenna per adattarle alla lunghezza d'onda della luce visibile, ma una tale antenna dovrebbe essere unica 1000 atomi lunghi. Realizzare un'antenna così piccola è difficile, ma non impossibile. Il campo emergente delle nanoantenne plasmoniche svolge proprio questo compito, come discuterò alla fine di questo articolo. Anche se realizzi con successo un'antenna così piccola, hai ancora bisogno di costruire un circuito elettronico in grado di guidare gli elettroni su e giù per l'antenna alla giusta frequenza. La frequenza della luce blu è di circa 640 THz (640 trilioni di cicli al secondo). I circuiti elettronici possono guidare solo correnti elettriche che oscillano nel migliore dei casi nell'ordine delle centinaia di GHz (centinaia di miliardi di cicli al secondo). Se provi ad andare più in alto, i circuiti elettronici smettono di funzionare perché cambiano le proprietà del materiale dei componenti del circuito.

Anche se riuscissi a creare un'antenna radio abbastanza piccola da corrispondere alla lunghezza d'onda della luce blu e riuscissi a creare un dispositivo in grado di guidare gli elettroni alla frequenza della luce blu, c'è ancora un grosso problema che si frappone: la struttura atomica del materiale dell'antenna. Per oscillazioni di elettroni a grande lunghezza d'onda, il materiale dell'antenna sembra uniforme e manca di una resistenza significativa. In contrasto, per oscillazioni su scala nanometrica, è più probabile che gli elettroni urtino gli atomi e cedano la loro energia agli atomi prima che abbiano la possibilità di emettere la loro energia sotto forma di luce. Il moto ordinato degli elettroni si trasferisce rapidamente in un moto disordinato degli atomi. Macroscopicamente, lo diciamo quando la frequenza è troppo alta, la maggior parte dell'energia elettrica viene convertita in calore di scarto prima che abbia la possibilità di essere emessa come luce.

I tre ostacoli principali sono quindi: le piccole dimensioni necessarie per l'antenna, la difficoltà nel trovare un modo per pilotare gli elettroni ad alta frequenza, e la tendenza degli elettroni ad alta frequenza a perdere la loro energia per riscaldarsi. Questi ostacoli possono essere superati in una certa misura utilizzando tre diversi approcci: (1) bloccare gli elettroni in piccolo, stati atomici/molecolari localizzati in cui non possono urtare tanto gli atomi e quindi guidare le oscillazioni degli elettroni sfruttando il fatto che oscillano naturalmente quando passano da uno stato all'altro, (2) sparare gli elettroni attraverso il vuoto ad alta velocità oltre i magneti, e (3) costruire su scala nanometrica, antenne dalla forma precisa e guidano le oscillazioni degli elettroni utilizzando la luce incidente.

Il primo metodo è esattamente come funziona un laser tradizionale. I materiali vengono scelti in cui determinati elettroni sono bloccati in stati utili. Gli elettroni sono eccitati in nuovi stati e quindi stimolati a ricadere nei loro stati originali. Piuttosto che oscillare avanti e indietro tra due punti nello spazio, gli elettroni in un laser tradizionale oscillano avanti e indietro tra due stati atomici/molecolari. Questo diverso tipo di oscillazione consente alla frequenza di oscillazione di essere elevata e aiuta a impedire agli elettroni di urtare gli atomi, perdendo così la loro energia per riscaldarsi. Il problema degli elettroni che entrano in collisione con gli atomi è ancora un problema nei laser (gli scienziati chiamano questo effetto “emissione di fononi”), ma non è un ostacolo insormontabile. Perché i laser sono sorgenti controllate di luce visibile, possono essere utilizzati per inviare informazioni simili a come le onde radio trasportano informazioni. Infatti, i cavi in ​​fibra ottica contengono fasci di luce che trasportano informazioni creati dai laser (Sebbene, la maggior parte delle fibre ottiche utilizza la luce infrarossa anziché la luce visibile per motivi di efficienza). I laser possono anche essere usati per inviare luce visibile che trasporta informazioni attraverso lo spazio libero. Questa configurazione è chiamata comunicazione wireless ottica.

Il secondo metodo è come funziona un laser a elettroni liberi. In questo caso, gli elettroni vengono lanciati nel vuoto ad altissima velocità e quindi viene applicata una serie di magneti per far oscillare gli elettroni avanti e indietro ad alta frequenza, emettendo così luce visibile. Un laser a elettroni liberi progettato per costringere gli elettroni a oscillare 640 I THz emetteranno infatti luce blu in modo controllato. Poiché i laser a elettroni liberi hanno bisogno di camere a vuoto e acceleratori di elettroni ad alta potenza per funzionare, i laser a elettroni liberi sono utilizzati principalmente in ambito di laboratorio.

Il terzo metodo è come funzionano le nanoantenne plasmoniche. Tra tutti i dispositivi che emettono luce visibile in modo controllato, le nanoantenne plasmoniche sono le più vicine alle antenne radio tradizionali. Una nanoantenna plasmonica è una nanoscala, antenna metallica dalla forma precisa che contiene risonanze al plasma eccitate (oscillazioni di elettroni raggruppati). Poiché le nanoantenne plasmoniche si basano su elettroni che oscillano avanti e indietro tra un punto e l'altro nello spazio proprio come le antenne radio tradizionali, la perdita termica è ancora un grosso problema quando operano a frequenze di luce visibile. Per questa ragione, le nanoantenne plasmoniche ottiche sono ancora stranezze da laboratorio e non sono fonti pratiche di luce visibile controllata. Dal momento che i laser stanno diventando sempre più economici, Dicono di no perché non sanno cosa sia un'immagine visiva, e affidabile, non c'è davvero una motivazione per sviluppare nanoantenne plasmoniche per emettere luce visibile che trasporta informazioni. inoltre, poiché i circuiti elettronici non possono funzionare a frequenze ottiche, le nanoantenne plasmoniche non possono essere eccitate collegandole a un circuito elettronico. Devono essere eccitati dall'essere colpiti dalla luce incidente. In questo modo, le nanoantenne plasmoniche non sono affatto come le antenne tradizionali. Sono più simili a oggetti sparsi.

Nota che ci sono molti altri modi per creare luce visibile; incendi, lampadine a incandescenza, lampadine fluorescenti, tubi di scarico del gas, reazioni chimiche; ma nessuno di questi modi crea luce visibile in modo controllato (vale a dire. luce visibile coerente) tale che molte informazioni possono essere trasportate sulle onde luminose, simile a come si fa con le onde radio.

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