Музыка света: что общего у лазеров, наночастиц и музыкальных инструментов? Ответ вас удивит!
«Музыкальная» теория
У всех инструментов есть тембр — когда воспроизводится музыкальная нота (звук с частотой fs), инструмент создает гармоники (частоты, кратные исходной частоте, то есть. 2fs, 3fs, 4fs, 5fs, 6fs и так далее). Точно так же, когда свет определенного цвета (с частотой fc) освещает материалы, эти материалы могут создавать новые частоты, также называемые гармониками (световые частоты 2fc, 3fc, 4fc, 5fc, 6fc и так далее). Гармоники света раскрывают сложные свойства материалов, которые находят применение в медицинской визуализации, связи и лазерных технологиях.
Например, практически каждая зеленая лазерная указка на самом деле не зеленая! На деле, якобы зеленые указки изначально инфракрасные, и их свет невидим для человеческого глаза. Но зеленый свет, который мы видим, является второй гармоникой (удвоенной частотой) инфракрасной лазерной указки, и он создается специальным кристаллом внутри указателя, с которым взаимодействует излучение.
Как в музыке, так и в физике, некоторые частоты «запрещены» — их нельзя услышать или увидеть, потому что инструмент или материал активно их подавляют. Например, кларнет имеет форму прямого цилиндра и подавляет все четные гармоники (2fs, 4fs, 6fs и так далее) и воспроизводит только нечетные гармоники (а именно 3fs, 5fs, 7fs...). Саксофон же имеет коническую и изогнутую форму, которая разрешает все гармоники и даёт более богатое и плавное звучание. В некоторой степени аналогично, когда свет с круговой поляризацией падает на металлические наночастицы, рассеянные в жидкости, нечетные гармоники света не распространяются вдоль направления движения света, а значит, соответствующие цвета «запрещены».
Поворот в исследованиях
Международная группа ученых во главе с исследователями физического факультета Университета Бата нашла способ выявить запрещенные цвета. Чтобы добиться этого результата, они «закрутили» свое экспериментальное оборудование.
Идея о том, что закручивание наночастиц или молекул может быть обнаружено через «четные» гармоники света, была впервые сформулирована более 40 лет назад молодым докторантом Дэвидом Эндрюсом. Дэвид считал, что эффекты в его теории слишком неуловимы, чтобы ее можно было проверить экспериментально, однако у учёных получилось. Поворот наночастиц можно наблюдать как в четных, так и в нечетных гармониках света. К слову, ныне профессор Дэвид Эндрюс выступил соавтором исследования.
Команда рассказала, что изначально они были очень близки к тому, чтобы упустить открытие. Первоначальное оборудование было плохо настроено, поэтому на третьей гармонике эффект был незаметен. К счастью, ученые это заметили и решили проблему.
Зачем это нужно?
С практической точки зрения, этот результат интересен для использования в наноробототехнике и тонких оптических компонентах. Например, «закручивание» наночастиц может задавать значение информационных битов (0 или 1 в зависимости от того, влево или вправо закручена частица). Кроме того, методика применима для анализа химических реагентов.
Профессор Эндрюс добавил: «Профессор Валев сделал международную команду настоящими первопроходцами в прикладной фотонике. Приглашение принять участие вернуло меня к теоретической работе, которойя занимался после докторантуры. Удивительно видеть, как много лет спустя это воплотилось в жизнь».
Исследование опубликовано в журнале Laser & Photonic Reviews
Физики-лазерщики открыли интересный эффект, связанный с взаимодействием излучения с веществом. Между тем, излучение во многом напоминает музыку — расскажем, как они связаны.