เสาอากาศวิทยุสามารถเปล่งแสงที่มองเห็นได้

เสาอากาศวิทยุสามารถเปล่งแสงที่มองเห็นได้, แต่คงไม่ใช่ในแบบที่คุณคิด. หากคุณสูบฉีดพลังงานเข้าไปในเสาอากาศวิทยุมากพอ, คุณสามารถให้ความร้อนจนเรืองแสงและเปล่งแสงที่มองเห็นได้ผ่านกระบวนการแผ่รังสีความร้อน. อย่างไรก็ตาม, เสาอากาศวิทยุทั่วไปไม่สามารถปล่อยแสงที่มองเห็นซึ่งนำข้อมูลไปได้, คล้ายกับที่เกิดขึ้นกับคลื่นวิทยุ. มี, อย่างไรก็ตาม, อุปกรณ์อื่นๆ ที่สามารถทำเช่นนี้ได้.

ตามที่คุณอาจได้เรียนรู้, คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความถี่ต่างกันมากมาย, จากวิทยุ, อินฟราเรด, มองเห็นได้, และอัลตราไวโอเลตไปจนถึงรังสีเอกซ์และรังสีแกมมา. โดยพื้นฐานแล้วแสงสีแดงที่ปล่อยออกมาจากแท่งเรืองแสงจะเหมือนกับคลื่นวิทยุที่ปล่อยออกมาจากเราเตอร์ Wi-Fi ของคุณ. ทั้งสองเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า. แสงสีแดงมีความถี่สูงกว่าคลื่นวิทยุมาก (ความถี่คือการวัดจำนวนรอบที่คลื่นเสร็จสมบูรณ์ในแต่ละวินาที). เพราะพวกเขาเหมือนกันโดยพื้นฐาน, คุณอาจถูกล่อลวงให้สรุปได้ว่าคุณสามารถใช้เสาอากาศวิทยุเพื่อปล่อยแสงที่มองเห็นได้ซึ่งควบคุมได้ โดยเพียงแค่เพิ่มความถี่ของวงจรที่ขับเคลื่อนเสาอากาศ. แม้ว่าสิ่งนี้จะสมเหตุสมผลเมื่อมองแวบแรก, ความเป็นจริงของคุณสมบัติของวัสดุของเสาอากาศเข้ามาขวางทาง. เสาอากาศวิทยุทำงานโดยใช้วงจรไฟฟ้าเพื่อดันอิเล็กตรอนขึ้นและลงเสาอากาศ, ทำให้สนามไฟฟ้าของอิเล็กตรอนมีคลื่นขึ้นลงด้วย. สนามไฟฟ้าที่สั่นเหล่านี้จะเคลื่อนที่ออกไปเป็นคลื่นวิทยุแม่เหล็กไฟฟ้า. ความถี่ของคลื่นวิทยุเท่ากับความถี่ที่คุณดันอิเล็กตรอนขึ้นและลงเสาอากาศ.

เสาอากาศวิทยุเราเตอร์ Wi-Fi ทั่วไปจะปล่อยคลื่นวิทยุที่มีความถี่เท่ากับ 2.4 GHz (2.4 พันล้านรอบต่อวินาที), ซึ่งสอดคล้องกับความยาวคลื่นของ 12.5 เซนติเมตร. โดยทั่วไป, เสาอากาศวิทยุจะปล่อยคลื่นได้อย่างมีประสิทธิภาพมากที่สุดเมื่อความยาวเท่ากับความยาวคลื่นของคลื่นวิทยุ, หรือครึ่งหนึ่งหรือหนึ่งในสี่ของความยาวคลื่น. ดังนั้นจึงไม่น่าแปลกใจที่เสาอากาศบนเราเตอร์ Wi-Fi ของคุณมีประมาณนี้ 12.5 ยาวเป็นเซนติเมตร. ในทางตรงกันข้าม, ความยาวคลื่นของแสงสีน้ำเงินอยู่ที่ประมาณ 470 นาโนเมตร. เพื่อให้คุณมีความคิด, นี่เล็กกว่าเซลล์ที่เล็กที่สุดในร่างกายของคุณเป็นร้อยเท่า. แสงสีฟ้าจะมีความยาวคลื่นประมาณ 300,000 เล็กกว่าคลื่นวิทยุ Wi-Fi เท่า. เสาอากาศวิทยุขนาดปกติมีขนาดใหญ่เกินกว่าจะปล่อยแสงที่มองเห็นได้อย่างมีประสิทธิภาพเนื่องจากขนาดไม่ตรงกัน, แม้ว่าเราจะสามารถเอาชนะปัญหาทางวัตถุได้ก็ตาม. คุณอาจคิดว่าเราสามารถลดขนาดของเสาอากาศลงเพื่อให้ตรงกับความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็นได้, แต่เสาอากาศดังกล่าวจะต้องมีเพียงเท่านั้น 1000 อะตอมยาว. การสร้างเสาอากาศขนาดเล็กเช่นนี้เป็นเรื่องยาก, แต่ก็ไม่ใช่ว่าจะเป็นไปไม่ได้. สนามนาโนพลาสโมนิคที่เกิดขึ้นใหม่ทำให้งานนี้สำเร็จได้สำเร็จ, ตามที่ฉันจะกล่าวถึงในตอนท้ายของบทความนี้. แม้ว่าคุณจะสร้างเสาอากาศขนาดเล็กเช่นนี้ได้สำเร็จก็ตาม, คุณยังต้องสร้างวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถขับเคลื่อนอิเล็กตรอนขึ้นและลงเสาอากาศด้วยความถี่ที่เหมาะสม. ความถี่ของแสงสีฟ้าอยู่ที่ประมาณ 640 ทีเฮิรตซ์ (640 ล้านล้านรอบต่อวินาที). วงจรอิเล็กทรอนิกส์สามารถขับเคลื่อนกระแสไฟฟ้าที่แกว่งได้ดีที่สุดในช่วงหลายร้อย GHz เท่านั้น (หลายร้อยพันล้านรอบต่อวินาที). หากคุณพยายามที่จะสูงขึ้น, วงจรอิเล็กทรอนิกส์หยุดทำงานเนื่องจากคุณสมบัติของวัสดุของส่วนประกอบวงจรเปลี่ยนไป.

แม้ว่าคุณจะสามารถสร้างเสาอากาศวิทยุที่มีขนาดเล็กพอที่จะตรงกับความยาวคลื่นของแสงสีน้ำเงินและสามารถสร้างอุปกรณ์ที่สามารถขับเคลื่อนอิเล็กตรอนที่ความถี่ของแสงสีฟ้าได้, ยังคงมีปัญหาสำคัญประการหนึ่งที่ขวางทางอยู่: โครงสร้างอะตอมของวัสดุเสาอากาศ. สำหรับการสั่นของอิเล็กตรอนความยาวคลื่นสูง, วัสดุเสาอากาศดูสม่ำเสมอและไม่มีความต้านทานที่สำคัญ. ในทางตรงกันข้าม, สำหรับการสั่นระดับนาโน, อิเล็กตรอนมีแนวโน้มที่จะชนเข้ากับอะตอมและสูญเสียพลังงานให้กับอะตอมก่อนที่จะมีโอกาสปล่อยพลังงานออกมาเป็นแสง. การเคลื่อนที่ตามลำดับของอิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนอย่างรวดเร็วไปยังการเคลื่อนที่ที่ไม่เป็นระเบียบของอะตอม. ในระดับมหภาค, เราบอกว่าเมื่อความถี่สูงเกินไป, พลังงานไฟฟ้าส่วนใหญ่จะถูกแปลงเป็นความร้อนเหลือทิ้งก่อนที่จะมีโอกาสถูกปล่อยออกมาเป็นแสง.

อุปสรรคสำคัญ 3 ประการนี้ก็คือ: ขนาดเล็กที่จำเป็นสำหรับเสาอากาศ, ความยากในการหาวิธีขับเคลื่อนอิเล็กตรอนที่ความถี่สูง, และแนวโน้มที่อิเล็กตรอนความถี่สูงจะสูญเสียพลังงานไปสู่ความร้อน. อุปสรรคเหล่านี้สามารถเอาชนะได้ในระดับหนึ่งโดยใช้แนวทางที่แตกต่างกันสามวิธี: (1) ล็อคอิเล็กตรอนให้เล็กลง, สถานะของอะตอม/โมเลกุลที่ถูกแปลเป็นภาษาท้องถิ่น โดยที่พวกมันไม่สามารถชนเข้ากับอะตอมได้มากนัก จากนั้นจึงขับเคลื่อนการสั่นของอิเล็กตรอนโดยใช้ความจริงที่ว่าพวกมันจะสั่นตามธรรมชาติเมื่อพวกมันเปลี่ยนระหว่างสถานะ, (2) ยิงอิเล็กตรอนผ่านสุญญากาศด้วยความเร็วสูงผ่านแม่เหล็ก, และ (3) สร้างระดับนาโน, เสาอากาศที่มีรูปทรงแม่นยำและขับเคลื่อนการสั่นของอิเล็กตรอนโดยใช้แสงตกกระทบ.

วิธีแรกคือวิธีการทำงานของเลเซอร์แบบเดิมอย่างแน่นอน. วัสดุจะถูกเลือกโดยที่อิเล็กตรอนบางตัวถูกล็อคให้อยู่ในสถานะที่มีประโยชน์. อิเล็กตรอนรู้สึกตื่นเต้นกับสถานะใหม่ จากนั้นถูกกระตุ้นให้ถอยกลับสู่สถานะเดิม. แทนที่จะแกว่งไปมาระหว่างจุดสองจุดในอวกาศ, อิเล็กตรอนในเลเซอร์แบบดั้งเดิมจะแกว่งไปมาระหว่างสถานะอะตอม/โมเลกุลสองสถานะ. การกระดิกแบบต่าง ๆ นี้ทำให้ความถี่ของการสั่นสูงและช่วยป้องกันไม่ให้อิเล็กตรอนชนเข้ากับอะตอม, จึงสูญเสียพลังงานไปสู่ความร้อน. ปัญหาการชนกันของอิเล็กตรอนกับอะตอมยังคงเป็นปัญหาในเลเซอร์ (นักวิทยาศาสตร์เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า “การปล่อยโฟนอน”), แต่ก็ไม่ใช่อุปสรรคที่ผ่านไม่ได้. เพราะเลเซอร์เป็นแหล่งกำเนิดแสงที่มองเห็นได้ซึ่งควบคุมได้, สามารถใช้เพื่อส่งข้อมูลคล้ายกับการที่คลื่นวิทยุส่งข้อมูล. ในความเป็นจริง, สายเคเบิลใยแก้วนำแสงประกอบด้วยลำแสงนำพาข้อมูลที่สร้างขึ้นโดยเลเซอร์ (แม้ว่า, เส้นใยนำแสงส่วนใหญ่ใช้แสงอินฟราเรดมากกว่าแสงที่มองเห็นได้เพื่อเหตุผลด้านประสิทธิภาพ). เลเซอร์ยังสามารถใช้เพื่อส่งแสงที่มองเห็นได้ซึ่งมีข้อมูลผ่านพื้นที่ว่าง. การตั้งค่านี้เรียกว่าการสื่อสารไร้สายแบบออปติก.

วิธีที่สองคือการทำงานของเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ. ในกรณีนี้, อิเล็กตรอนถูกยิงผ่านสุญญากาศด้วยความเร็วสูงมาก จากนั้นจึงใช้ชุดแม่เหล็กเพื่อให้อิเล็กตรอนกระดิกไปมาที่ความถี่สูง, จึงเปล่งแสงที่มองเห็นได้. เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระที่ออกแบบมาเพื่อบังคับให้อิเล็กตรอนกระดิกไปมา 640 THz จะปล่อยแสงสีน้ำเงินออกมาในลักษณะที่มีการควบคุมอย่างแน่นอน. เนื่องจากเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระจำเป็นต้องมีห้องสุญญากาศและเครื่องเร่งอิเล็กตรอนกำลังสูงจึงจะทำงานได้, เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระส่วนใหญ่จะใช้ในห้องปฏิบัติการ.

วิธีที่สามคือวิธีการทำงานของพลาสโมนิกนาโนแอนเทนนา. ในบรรดาอุปกรณ์ทั้งหมดที่ปล่อยแสงที่มองเห็นได้ในลักษณะควบคุม, พลาสโมนิคนาโนแอนเทนนามีความใกล้เคียงกับเสาอากาศวิทยุแบบเดิมมากที่สุด. พลาสโมนิคนาโนเอเทนนาเป็นระดับนาโน, เสาอากาศโลหะที่มีรูปทรงแม่นยำซึ่งมีพลาสมาเรโซแนนซ์ตื่นเต้นอยู่ (การสั่นของอิเล็กตรอนแบบมัดรวมกัน). เนื่องจากนาโนแอนเทนนาของพลาสโมนิกอาศัยอิเล็กตรอนที่เลื่อนไปมาระหว่างจุดหนึ่งในอวกาศกับอีกจุดหนึ่งเหมือนกับเสาอากาศวิทยุแบบดั้งเดิม, การสูญเสียความร้อนยังคงเป็นปัญหาสำคัญเมื่อทำงานที่ความถี่แสงที่มองเห็นได้. สำหรับเหตุผลนี้, นาโนแอนเทนนาพลาสโมนิกแบบออปติคัลยังคงเป็นสิ่งแปลกประหลาดในห้องปฏิบัติการและไม่ใช่แหล่งกำเนิดแสงที่มองเห็นได้ซึ่งควบคุมได้ในทางปฏิบัติ. เนื่องจากเลเซอร์ราคาถูกลงเรื่อยๆ, เล็ก, และเชื่อถือได้, ไม่มีแรงจูงใจในการพัฒนาพลาสโมนิกนาโนแอนเทนนาเพื่อปล่อยแสงที่มองเห็นได้ซึ่งมีข้อมูลอยู่. นอกจากนี้, เนื่องจากวงจรอิเล็กทรอนิกส์ไม่สามารถทำงานที่ความถี่แสงได้, นาโนแอนเทนนาของพลาสโมนิคไม่สามารถตื่นเต้นได้ด้วยการต่อเข้ากับวงจรอิเล็กทรอนิกส์. พวกเขาต้องตื่นเต้นกับการโดนแสงตกกระทบ. ทางนี้, พลาสโมนิคนาโนแอนเทนนาไม่เหมือนกับเสาอากาศแบบเดิมเลย. พวกมันเป็นเหมือนวัตถุที่กระจัดกระจายมากกว่า.

โปรดทราบว่ามีวิธีอื่นๆ มากมายในการสร้างแสงที่มองเห็นได้; ไฟไหม้, หลอดไส้, หลอดไฟฟลูออเรสเซนต์, ท่อระบายแก๊ส, ปฏิกริยาเคมี; แต่ไม่มีวิธีใดเหล่านี้ที่สร้างแสงที่มองเห็นได้ด้วยวิธีที่ควบคุมได้ (เช่น. แสงที่มองเห็นได้สอดคล้องกัน) จึงสามารถส่งข้อมูลจำนวนมากบนคลื่นแสงได้, คล้ายกับที่ทำกับคลื่นวิทยุ.

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