Могут ли радиоантенны излучать видимый свет?

Да, радиоантенны могут излучать видимый свет, но, вероятно, не так, как вы думаете. Если вы закачаете достаточно энергии в радиоантенну, вы можете нагреть ее до тех пор, пока она не начнет светиться и излучать видимый свет в процессе теплового излучения. Однако обычная радиоантенна не может излучать видимый свет, который несет информацию, подобно тому, как это происходит с радиоволнами. Однако есть и другие устройства, которые могут это сделать.

Как вы, возможно, уже знаете, электромагнитные волны бывают самых разных частот, от радио, инфракрасного, видимого и ультрафиолетового излучения до рентгеновских и гамма-лучей. Красный свет, излучаемый светящейся палочкой, в основном похож на радиоволну, излучаемой вашим маршрутизатором Wi-Fi. И то и другое — электромагнитные волны.

Красный свет просто имеет гораздо более высокую частоту, чем радиоволна (частота является мерой того, сколько циклов волна завершает каждую секунду). Поскольку они принципиально одинаковы, у вас может возникнуть соблазн сделать вывод, что вы можете заставить радиоантенну излучать контролируемый видимый свет, просто увеличив частоту цепи, которая управляет антенной.

Хотя на первый взгляд это имеет смысл, реальность материальных свойств антенн мешает. Радиоантенна работает, используя электрические цепи, чтобы толкать электроны вверх и вниз по антенне, заставляя электрические поля электронов также колебаться вверх и вниз. Эти колеблющиеся электрические поля затем распространяются в виде электромагнитных радиоволн. Частота радиоволн равна частоте, с которой вы толкаете электроны вверх и вниз по антенне.

Типичная радиоантенна маршрутизатора Wi-Fi излучает радиоволны с частотой 2,4 ГГц (2,4 миллиарда циклов в секунду), что соответствует длине волны 12,5 сантиметра. В общем случае радиоантенна излучает волны наиболее эффективно, когда длина волны равна длине радиоволны или половине или четверти длины волны.

Поэтому неудивительно, что антенны на вашем маршрутизаторе Wi-Fi имеют длину около 12,5 сантиметров. Напротив, длина волны синего света составляет около 470 нанометров. Чтобы дать вам представление, это в сто раз меньше, чем самая маленькая клетка в вашем теле. Синий свет имеет длину волны, которая примерно в 300 000 раз меньше, чем у радиоволн Wi-Fi.

Радиоантенна нормального размера просто слишком велика, чтобы эффективно излучать видимый свет из-за этого несоответствия размеров, даже если бы нам удалось преодолеть материальные проблемы. Вы можете подумать, что можно просто уменьшить размер антенны, чтобы она соответствовала длине волны видимого света, но такая антенна должна быть длиной всего 1000 атомов.

Сделать такую маленькую антенну сложно, но не невозможно. Возникающая новая область плазмонных наноантенн решает именно эту задачу. Но даже если вы успешно сделаете такую маленькую антенну, вам все равно нужно построить электронную схему, которая может перемещать электроны вверх и вниз по антенне на нужной частоте. Частота синего света составляет около 640 ТГц (640 триллионов циклов в секунду). Электронные схемы могут управлять только электрическими токами, которые в лучшем случае колеблются в сотнях ГГц (сотни миллиардов циклов в секунду). Если вы попытаетесь подняться выше, электронные схемы перестанут работать, потому что изменятся свойства материалов компонентов схемы.

Даже если вам удалось сделать радиоантенну, которая достаточно мала, чтобы соответствовать длине волны синего света, и удалось создать устройство, которое может управлять электронами на частоте синего света, все еще существует одна серьезная проблема, которая мешает: атомная структура материала антенны.

Для крупноволновых электронных колебаний материал антенны выглядит однородным и не имеет значительного сопротивления. Напротив, для наноразмерных колебаний электроны с большей вероятностью столкнутся с атомами и потеряют свою энергию, прежде чем у них появится шанс испустить ее в виде света. Упорядоченное движение электронов быстро переходит в неупорядоченное движение атомов. Макроскопически мы говорим, что, когда частота слишком высока, большая часть электрической энергии преобразуется в отработанное тепло, прежде чем она сможет излучаться в виде света.

Таким образом, существуют три основных препятствия: малый размер, необходимый для антенны, трудность в поиске способа управлять электронами на высокой частоте и тенденция высокочастотных электронов терять свою энергию для нагрева.

Эти препятствия можно в некоторой степени преодолеть с помощью трех различных подходов: (1) зафиксировать электроны в небольших локализованных атомных/молекулярных состояниях, где они не могут так сильно сталкиваться с атомами, а затем управлять электронными колебаниями, используя тот факт, что они естественно колеблются при переходе между состояниями, (2) «стрелять» электронами через вакуум с высокой скоростью мимо магнитов и (3) строить наноразмерные антенны точной формы и управлять электронными колебаниями с помощью падающего света.

Первый метод — это именно то, как работает традиционный лазер. Материалы выбираются там, где определенные электроны заперты в полезные состояния. Электроны возбуждаются до новых состояний, а затем стимулируются к возвращению в исходное состояние. Вместо того, чтобы колебаться взад и вперед между двумя точками в пространстве, электроны в традиционном лазере колеблются взад и вперед между двумя атомными/молекулярными состояниями. Этот вид покачивания позволяет частоте колебаний быть высокой и помогает предотвратить столкновение электронов с атомами, тем самым теряя свою энергию для нагрева.

Проблема столкновения электронов с атомами все еще остается проблемой в лазерах (ученые называют этот эффект «фононной эмиссией»), но это не непреодолимое препятствие. Поскольку лазеры являются управляемыми источниками видимого света, их можно использовать для передачи информации, аналогичной тому, как радиоволны передают информацию. Фактически, волоконно-оптические кабели содержат несущие информацию световые лучи, которые были созданы лазерами (хотя большинство оптических волокон используют инфракрасный свет, а не видимый свет по соображениям эффективности). Лазеры также могут использоваться для передачи несущего информацию видимого света через свободное пространство. Это называется оптической беспроводной связью.

Второй метод заключается в том, как работает лазер на свободных электронах. В этом случае электроны выстреливаются через вакуум с очень высокой скоростью, а затем применяется ряд магнитов, чтобы заставить электроны двигаться вперед и назад с высокой частотой, тем самым испуская видимый свет. Лазер на свободных электронах, предназначенный для того, чтобы заставить электроны двигаться с частотой 640 ТГц, действительно будет излучать синий свет контролируемым образом. Поскольку для работы лазеров на свободных электронах необходимы вакуумные камеры и мощные ускорители электронов, лазеры на свободных электронах используются в основном в лабораторных условиях.

Третий метод заключается в том, как работают плазмонные наноантенны. Из всех устройств, которые излучают видимый свет контролируемым образом, плазмонные наноантенны наиболее близки к традиционным радиоантеннам.

Плазмонная наноатенна — это наноразмерная металлическая антенна точной формы, в которой возбуждаются плазменные резонансы (сгруппированные электронные колебания). Поскольку плазмонные наноантенны полагаются на электроны, которые перемещаются взад и вперед между одной точкой пространства и другой, как и в традиционных радиоантеннах, тепловые потери по-прежнему являются серьезной проблемой, когда они работают на частотах видимого света.

По этой причине оптические плазмонные наноантенны все еще являются лабораторными странностями и не являются практическими источниками контролируемого видимого света. Поскольку лазеры становятся все более дешевыми, маленькими и надежными, на самом деле нет мотивации разрабатывать плазмонные наноантенны для излучения несущего информацию видимого света. Кроме того, поскольку электронные схемы не могут работать на оптических частотах, плазмонные наноантенны не могут быть возбуждены путем подключения их к электронной схеме. Они должны быть возбуждены попаданием падающего света. Таким образом, плазмонные наноантенны совсем не похожи на традиционные антенны. Они больше похожи на рассеивающие объекты.

Обратите внимание, что существует много других способов создания видимого света; огонь, лампы накаливания, люминесцентные лампы, газоразрядные трубки, химические реакции; но ни один из этих способов не создает видимый свет таким образом (т. е. когерентный видимый свет) , что на световых волнах может передаваться много информации, аналогично тому, как это делается с радиоволнами.

Таким образом, если вы хотите, чтобы традиционная антенна излучала видимый свет контролируемым образом, чтобы вы могли передавать информацию, вам не повезло. К счастью, есть и другие устройства, которые могут передавать информацию с помощью видимого света, наиболее практичным из которых является лазер.