MassimoL
Bentornati ad un'altra straordinaria edizione delle domande di cultura generale!
Questa volta abbiamo cercato una curiosità scientifica: Se la luce è solo un'onda radio con una frequenza diversa, è possibile creare luce visibile utilizzando un'antenna ?
Ed ecco le risposte degli esperti:
Non è un'antenna di metallo, per le ragioni fornite da /u/Bristol_Fool_Chart, ma un laser a elettroni liberi non è così lontano. I FEL muovono un fascio di elettroni avanti e indietro nello spazio libero, eliminando i problemi del tentativo di spostarli avanti e indietro nello spazio metallo. Possono essere sintonizzati ovunque, dagli infrarossi ai raggi X, inclusa la luce visibile.
tomrlutong
A questo punto no, per diversi motivi, principalmente a causa dei materiali necessari.
Il modo in cui funziona un'antenna, fondamentalmente, è che gli elettroni vengono spinti su e giù nell'antenna, costituita da un conduttore, e questo cambiamento nel il campo elettrico dell'antenna crea radiazioni elettromagnetiche che si propagano dall'antenna sotto forma di onde radio.
La produzione di questo tipo di radiazione elettronica richiede un'antenna della stessa dimensione della lunghezza d'onda delle onde radio desiderate e circuiti in grado di far oscillare gli elettroni nell'antenna alla frequenza desiderata.
Ad esempio, le onde radio UHF richiedono circa un Antenna da 1 metro e circuiti che possono oscillare intorno a 300 MHz.
Per creare un'antenna che possa produrre luce rossa visibile, avresti bisogno di un <9999999999995 antenna nm e circuiti che possono oscillare a 430 THz. Per fare un confronto, un capello umano è di circa 400 k nm. Quindi fin dall'inizio dovresti trovare materiali con cui potresti far oscillare gli elettroni in un 750 nm antenna 400,30,22,000, volte al secondo senza fondere l'antenna.
Anche allora c'è un altro grosso problema. Le lunghezze d'onda più lunghe possono passare più facilmente attraverso il materiale di cui è composta l'antenna, motivo per cui le onde radio non richiedono una linea di vista e possono penetrare attraverso determinati materiali. Le lunghezze d'onda più corte, come quelle necessarie per creare la luce visibile, non possono passare facilmente. Le onde di luce rossa più corte prodotte da questa antenna e circuito teorici non sarebbero in grado di passare facilmente attraverso i materiali solidi di cui è fatta l'antenna, e invece di essere emesse “urterebbero” nel materiale di cui è fatta l'antenna, quindi ne perderebbe la maggior parte sotto forma di energia termica e, di nuovo, l'antenna si scioglierebbe.
Bristol_Fool_Chart
Se ti stavi muovendo verso una torre di trasmissione radio a una velocità di .9999999999995 c si vedrebbero le onde radio con lunghezza d'onda di 1 m apparire come 750 nm luce.
Non è più esattamente un'antenna, ma se pompi abbastanza energia in qualsiasi materiale diventerà incandescente. Il tempo di risposta della modifica dello stato energetico sarebbe molto scarso per la codifica di messaggi di tipo radio. Se hai mai acceso e spento una lampadina a incandescenza e guardato il filamento, puoi vedere che il cambiamento di intensità è abbastanza lento. Inoltre, non otterresti una banda stretta molto stabile come con radio e microonde.
Fare un'antenna specializzata come la trasmissione radio usa per emettere una banda stretta e codificare qualcosa di significativo in essa sarebbe molto oltre l'attuale scienza dei materiali a causa della dimensione molto piccola della lunghezza d'onda della luce visibile. Tuttavia, potresti ottenere una trasmissione basata sulla luce con un laser, ma la trasmissione sarebbe molto focalizzata, probabilmente così stretta che solo un singolo ricevitore sarebbe in grado di intercettarla all'interno del raggio d'azione.
Risposta breve: No, ma ce la facciamo loro e usarli per altre cose.
Ci sono due cose di cui hai bisogno: un'antenna conduttiva della giusta dimensione e un oscillatore elettrico per azionarlo. Fortunatamente il campo della plasmonica ci ha coperto per entrambe le risposte.
L'antenna: come i commenti prima hanno menzionato, devi creare qualcosa di piccolo da ottenere una risonanza nel visibile (400-750nm). Questo è vero, ma non è affatto un problema per la scienza moderna. Puoi usare uno ione focalizzato o un fascio di elettroni o tagliare un sottile strato di metallo (pochi nm) che hai steso con un dispositivo sputtering per realizzare la tua antenna. Facciamo questo. Anche le persone che realizzano i tuoi transistor telefonici, che ora spingono a 5 nm, hanno uno spazio simile per fare cose così piccole. Quindi sicuramente possibile. Provalo oggi nella tua camera bianca locale!
L'oscillatore: questo è il problema. Dovrai eccitare l'antenna con la giusta frequenza per la luce visibile, diverse 400THz (dal rosso al blu va da 430 a 750THz), questo è un problema perché non abbiamo oscillatori vicino a questi valori. Il più veloce che siamo riusciti a fare è un impressionante Gyrotron sovietico 430 GHz, dice Wikipedia. Ma facciamo finta di poter fare qualcosa che ti dia un'oscillazione elettrica di 500THz; ora inizi a incontrare problemi fondamentali con il tuo metallo. Esiste una frequenza, nota come frequenza plasmatica di massa. Per i metalli questo di solito corrisponde a lunghezze d'onda nell'UV, circa 400 nm (1- 3PHz). Molto al di sopra di questa frequenza i metalli iniziano a diventare in gran parte trasparenti e anche poco conduttivi. Si comportano effettivamente come un dielettrico (ad esempio vetro o acqua). Molto al di sotto di questa frequenza troverai i metalli come li conosci e li ami, conduttivi e riflettenti. Il vero trucco è quando sei vicino alla frequenza del plasma, dove ottieni un po'del peggio di entrambi i mondi, quindi quando cerchi di inviare un campo elettrico oscillante veloce anche i fili che trasportano la carica ti ostacoleranno. Per non parlare dei vari problemi che incontrerai nella gamma dei GHz con induttanza e capacità parassite in cui ogni materiale conduttivo in cui metti la tua elettricità sarà sia un induttore che un condensatore. Elettrici ad alta frequenza, solo un incubo. Purtroppo sembra un duro “no” fisico a quella domanda. Almeno in assenza di alcuni metamateriali esotici o di qualche nuova sostanza con una frequenza di plasma follemente alta.
Dato che l'ho preso in giro prima, nella scienza usiamo l'antenna al contrario. Metti la luce dentro e fai uscire le oscillazioni del plasma localizzate. Questi sono utili per fare cose come l'imaging a super risoluzione perché puoi, localmente, creare punti luminosi molto più piccoli del limite di diffrazione. Utile anche per intrappolare particelle minuscole come virus con gradienti di campo elettrico elevati e strettamente confinati. Oppure potresti fare qualcosa chiamato microscopia plasmonica di superficie in cui puoi cercare determinati antigeni biologici in un campione posto su dell'oro nanostrutturato perché sposteranno la risonanza delle tue antenne. Ho provato a usare le minuscole antenne solo una volta nel tentativo di realizzare dei pannelli solari super efficienti. Non ho avuto molto successo, nemmeno a realizzarli, ma sono sicuro che qualcun altro ci riuscirà.