Kunnen radioantennes zichtbaar licht uitzenden?

Radioantennes kunnen zichtbaar licht uitzenden, maar waarschijnlijk niet op de manier waarop je denkt. Als je genoeg energie in een radioantenne pompt, je kunt het opwarmen totdat het gloeit en zichtbaar licht uitzendt door het proces van thermische straling. Echter, een gewone radioantenne kan geen zichtbaar licht uitzenden dat informatie bevat, vergelijkbaar met hoe het doet met radiogolven. Er zijn, echter, andere apparaten die dit kunnen.

Zoals je misschien hebt geleerd, elektromagnetische golven zijn er in veel verschillende frequenties, van de radio, infrarood, zichtbaar, en ultraviolet tot röntgenstralen en gammastralen. Het rode licht dat door een glowstick wordt uitgezonden, is in wezen hetzelfde als de radiogolf die door uw wifi-router wordt uitgezonden. Beide zijn elektromagnetische golven. Het rode licht heeft gewoon een veel hogere frequentie dan de radiogolf (de frequentie is een maat voor hoeveel cycli de golf elke seconde voltooit). Omdat ze fundamenteel hetzelfde zijn, je zou in de verleiding kunnen komen om te concluderen dat je een radioantenne kunt krijgen om gecontroleerd zichtbaar licht uit te zenden door simpelweg de frequentie van het circuit dat de antenne aanstuurt te verhogen. Hoewel dit op het eerste gezicht logisch is, de realiteit van de materiaaleigenschappen van antennes staat in de weg. Een radioantenne werkt door elektrische circuits te gebruiken om elektronen op en neer door de antenne te duwen, waardoor de elektrische velden van de elektronen ook op en neer zwaaien. Deze oscillerende elektrische velden reizen dan weg als elektromagnetische radiogolven. De frequentie van de radiogolf is gelijk aan de frequentie waarmee je de elektronen op en neer de antenne duwt.

Een typische radioantenne van een Wi-Fi-router zendt radiogolven uit met een frequentie van 2.4 GHz (2.4 miljard cycli per seconde), wat overeenkomt met een golflengte van 12.5 centimeters. In het algemeen, een radioantenne zendt golven het meest efficiënt uit als de lengte gelijk is aan de golflengte van de radiogolf, of tot een halve of een kwart van de golflengte. Het hoeft dan ook niet te verbazen dat de antennes op je wifi-router ongeveer 12.5 centimeter lang. In tegenstelling tot, de golflengte van blauw licht is ongeveer 470 nanometer. Om je een idee te geven, dit is honderd keer kleiner dan de kleinste cel in je lichaam. Blauw licht heeft een golflengte die ongeveer 300,000 keer kleiner dan die van een Wi-Fi-radiogolf. Een radioantenne van normaal formaat is gewoon te groot om efficiënt zichtbaar licht uit te zenden vanwege deze mismatch, zelfs als we erin slaagden de materiële problemen te overwinnen. Je zou kunnen denken dat we de grootte van de antenne gewoon kunnen verkleinen om overeen te komen met de golflengte van zichtbaar licht, maar zo'n antenne zou alleen moeten zijn: 1000 atomen lang. Zo'n kleine antenne maken is moeilijk, maar niet onmogelijk. Het opkomende veld van plasmonische nanoantennes volbrengt deze taak, zoals ik aan het einde van dit artikel zal bespreken. Zelfs als je met succes zo'n kleine antenne maakt, je moet nog steeds een elektronische schakeling bouwen die de elektronen op de juiste frequentie op en neer langs de antenne kan sturen. De frequentie van blauw licht is ongeveer: 640 THz (640 biljoen cycli per seconde). Elektronische circuits kunnen alleen elektrische stromen aandrijven die op zijn best oscilleren in de honderden GHz (honderden miljarden cycli per seconde). Als je hoger probeert te gaan, de elektronische circuits werken niet meer omdat de materiaaleigenschappen van de circuitcomponenten veranderen.

Zelfs als het je gelukt is om een ​​radioantenne te maken die klein genoeg is om de golflengte van blauw licht te evenaren en een apparaat zou kunnen maken dat elektronen kan aansturen met de frequentie van blauw licht, er is nog steeds een groot probleem dat in de weg staat: de atomaire structuur van het antennemateriaal. Voor elektronenoscillaties met grote golflengte, het antennemateriaal ziet er uniform uit en heeft geen significante weerstand. In tegenstelling tot, voor oscillaties op nanoschaal, de elektronen zullen eerder tegen atomen botsen en hun energie aan de atomen verliezen voordat ze de kans hebben om hun energie als licht uit te zenden. De geordende beweging van de elektronen wordt snel overgebracht naar een ongeordende beweging van de atomen. macroscopisch, we zeggen dat wanneer de frequentie te hoog is, het grootste deel van de elektrische energie wordt omgezet in afvalwarmte voordat het de kans krijgt om als licht te worden uitgestraald.

De drie belangrijkste obstakels zijn daarom:: het kleine formaat dat nodig is voor de antenne;, de moeilijkheid om een ​​manier te vinden om de elektronen met een hoge frequentie aan te drijven, en de neiging van hoogfrequente elektronen om hun energie te verliezen aan warmte. Deze obstakels kunnen tot op zekere hoogte worden overwonnen met behulp van drie verschillende benaderingen:: (1) sluit de elektronen in kleine, gelokaliseerde atomaire / moleculaire toestanden waar ze niet zoveel tegen atomen kunnen botsen en vervolgens de elektronenoscillaties aandrijven met het feit dat ze van nature oscilleren wanneer ze tussen toestanden overgaan, (2) schiet de elektronen met hoge snelheid door een vacuüm langs magneten, en (3) nanoschaal bouwen, nauwkeurig gevormde antennes en drijven de elektronenoscillaties aan met behulp van invallend licht.

De eerste methode is precies hoe een traditionele laser werkt. Materialen worden gekozen waar bepaalde elektronen in bruikbare toestanden zijn opgesloten. De elektronen worden opgewonden naar nieuwe toestanden en vervolgens gestimuleerd om terug te vallen naar hun oorspronkelijke toestanden. In plaats van heen en weer te oscilleren tussen twee punten in de ruimte, de elektronen in een traditionele laser oscilleren heen en weer tussen twee atomaire/moleculaire toestanden. Door dit andere soort wiebelen kan de trillingsfrequentie hoog zijn en wordt voorkomen dat de elektronen tegen atomen aan botsen., waardoor ze hun energie verliezen aan warmte. Het probleem van elektronen die botsen met atomen is nog steeds een probleem bij lasers (wetenschappers noemen dit effect “fonon emissie”), maar het is geen onoverkomelijk obstakel. Omdat lasers gecontroleerde bronnen van zichtbaar licht zijn, ze kunnen worden gebruikt om informatie te verzenden die vergelijkbaar is met hoe radiogolven informatie vervoeren. Eigenlijk, glasvezelkabels bevatten informatiedragende lichtstralen die zijn gemaakt door lasers (hoewel, de meeste optische vezels gebruiken om efficiëntieredenen infrarood licht in plaats van zichtbaar licht). Lasers kunnen ook worden gebruikt om informatiedragend zichtbaar licht door de vrije ruimte te sturen. Deze opstelling wordt optische draadloze communicatie genoemd.

De tweede methode is hoe een vrije elektronenlaser werkt. In dit geval, elektronen worden met zeer hoge snelheid door een vacuüm geschoten en vervolgens wordt een reeks magneten toegepast om de elektronen met hoge frequentie heen en weer te laten wiebelen, waardoor zichtbaar licht wordt uitgezonden. Een vrije elektronenlaser die is ontworpen om de elektronen te dwingen te wiebelen naar 640 THz zal inderdaad op een gecontroleerde manier blauw licht uitstralen. Omdat vrije-elektronenlasers vacuümkamers en krachtige elektronenversnellers nodig hebben om te kunnen functioneren, vrije-elektronenlasers worden meestal gebruikt in de laboratoriumomgeving.

De derde methode is hoe plasmonische nanoantennes werken. Van alle apparaten die op een gecontroleerde manier zichtbaar licht uitstralen, plasmonische nanoantennes komen het dichtst in de buurt van traditionele radioantennes. Een plasmonische nanoatenna is een nanoschaal, nauwkeurig gevormde metalen antenne waarin plasmaresonanties worden opgewekt (opeengehoopte elektronenoscillaties). Omdat plasmonische nanoantennes afhankelijk zijn van elektronen die heen en weer klotsen tussen het ene punt in de ruimte en het andere, net als traditionele radioantennes, thermisch verlies is nog steeds een groot probleem wanneer ze werken op zichtbare lichtfrequenties. Om deze reden, optische plasmonische nanoantennes zijn nog steeds eigenaardigheden in laboratoria en zijn geen praktische bronnen van gecontroleerd zichtbaar licht. Omdat lasers steeds goedkoper worden, Gratis PBX-sterretje, en betrouwbaar, er is niet echt een motivatie om plasmonische nanoantennes te ontwikkelen om informatiedragend zichtbaar licht uit te zenden. voorts, omdat elektronische circuits niet op optische frequenties kunnen werken, plasmonische nanoantennes kunnen niet worden opgewonden door ze aan te sluiten op een elektronisch circuit. Ze moeten opgewonden raken door geraakt te worden door invallend licht. Op deze manier, plasmonische nanoantennes zijn helemaal niet zoals traditionele antennes. Ze lijken meer op verstrooiende objecten.

Merk op dat er veel andere manieren zijn om zichtbaar licht te creëren; branden, gloeilampen, fluorescerende lampen, gasontladingsbuizen, chemische reacties; maar geen van deze manieren creëert op een gecontroleerde manier zichtbaar licht (d.w.z.. coherent zichtbaar licht) zodat veel informatie op de lichtgolven kan worden gedragen, vergelijkbaar met wat wordt gedaan met radiogolven.

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