Музика світла - як пов'язані лазери, наночастинки та музичні інструменти
Дослідники-фізики з Університету Бата у Великобританії відкрили новий фізичний ефект, пов'язаний із взаємодією світла і крученням поверхонь - ймовірно, він матиме значення для наноматеріалів в ультратонких оптичних компонентах.
Фізики-лазерники відкрили цікавий ефект, пов'язаний із взаємодією випромінювання з речовиною. Між тим, випромінювання багато в чому нагадує музику - розповімо, як вони пов'язані.
«Музична» теорія
У всіх інструментів є тембр - коли відтворюється музична нота (звук з частотою fs), інструмент створює гармоніки (частоти, кратні вихідній частоті, тобто. 2fs, 3fs, 4fs, 5fs, 6fs тощо). Точно так само, коли світло певного кольору (з частотою fc) освітлює матеріали, ці матеріали можуть створювати нові частоти, також звані гармоніками (світлові частоти 2fc, 3fc, 4fc, 5fc, 6fc і так далі). Гармоніки світла розкривають складні властивості матеріалів, які знаходять застосування в медичній візуалізації, зв'язку та лазерних технологіях.
Наприклад, практично кожна зелена лазерна указка насправді не зелена! На ділі, нібито зелені указки спочатку інфрачервоні, і їх світло невидимо для людського ока. Але зелене світло, яке ми бачимо, є другою гармонікою (подвоєною частотою) інфрачервоної лазерної указки, і воно створюється спеціальним кристалом всередині покажчика, з яким взаємодіє випромінювання.
Як у музиці, так і у фізиці, деякі частоти «заборонені» - їх не можна почути або побачити, тому що інструмент або матеріал активно їх придушують. Наприклад, кларнет має форму прямого циліндра і пригнічує всі парні гармоніки (2fs, 4fs, 6fs і так далі) і відтворює тільки непарні гармоніки (а саме 3fs, 5fs, 7fs...). Саксофон же має конічну і вигнуту форму, яка дозволяє всі гармоніки і дає більш багате і плавне звучання. Певною мірою аналогічно, коли світло з круговою поляризацією падає на металеві наночастинки, розсіяні в рідині, непарні гармонії світла не поширюються вздовж напрямку руху світла, а значить, відповідні кольори «заборонені».
Поворот у дослідженнях
Міжнародна група вчених на чолі з дослідниками фізичного факультету Університету Бата знайшла спосіб виявити заборонені кольори. Щоб досягти цього результату, вони «закрутили» своє експериментальне обладнання.
Ідея про те, що закручування наночастинок або молекул може бути виявлено через «чітні» гармоніки світла, була вперше сформульована понад 40 років тому молодим докторантом Девідом Ендрюсом. Девід вважав, що ефекти в його теорії занадто невловимі, щоб її можна було перевірити експериментально, проте у вчених вийшло. Поворот наночастинок можна спостерігати як у чітких, так і в непарних гармоніках світла. До слова, нині професор Девід Ендрюс виступив співавтором дослідження.
Команда розповіла, що спочатку вони були дуже близькі до того, щоб упустити відкриття. Початкове обладнання було погано налаштоване, тому на третій гармоніці ефект був непомітний. На щастя, вчені це помітили і вирішили проблему.
Навіщо це потрібно?
З практичної точки зору, цей результат цікавий для використання в наноробототехніці і тонких оптичних компонентах. Наприклад, «закручування» наночастинок може задавати значення інформаційних бітів (0 або 1 залежно від того, вліво або праворуч закручена частинка), крім того, методика застосовна для аналізу хімічних реагентів.
Професор Ендрюс додав: "Професор Валєв зробив міжнародну команду справжніми першопрохідцями в прикладній фотоніці. Запрошення взяти участь повернуло мене до теоретичної роботи, яка займався після докторантури. Дивно бачити, як через багато років це втілилося в життя ".
Дослідження опубліковано в журналі Laser & Photonic Reviews