Meritve optičnih sil v vodi ovrgle večino dosedanjih teorij interakcije svetloba-snov

datum: 25.04.2022

kategorija: Sporočila za javnost

 

Raziskovalec Fakultete za strojništvo Univerze v Ljubljani viš. znan. sod. dr. Tomaž Požar je v sodelovanju z znanstveniki iz Brazilije, Finske, Norveške, Švice in ZDA prvič zaznal izsev elastičnih valov, ki jih povzroči elektrostrikcija med preletom laserskega bliska skozi vodo. Z meritvijo so ovrgli večino teorij, ki opisujejo osnovno interakcijo med svetlobo in snovjo. Znanstveni članek o odkritju je bil objavljen v ugledni znanstveni reviji Light: Science & Applications - Nature (IF: 17,782).

Mednarodna skupina raziskovalcev, ki jo koordinira Nelson G. C. Astrath, profesor na brazilski univerzi Universidade Estadual de Maringá, in v kateri že dlje časa sodeluje tudi znanstvenik Fakultete za strojništvo Univerze v Ljubljani, je z metodo fotoinduciranega lečenja izmerila elastične valove, ki jih povzroči pojav optične elektrostrikcije. Pri tem pojavu se snov ob prisotnosti svetlobe zgosti.

Z laserskim bliskom so presvetlili tanko plast zelo čiste vode, ki je bila na obeh straneh omejena s steklenima ploščama, in opazovali, kako se vodi v hipni prisotnosti svetlobe spremenijo optične lastnosti zgolj zaradi elektrostrikcije. Ko laserska svetloba potuje skozi vodno plast, je mogoče zaznati pojav optične zgostitve snovi prečno na smer širjenja svetlobe. Ker pride z uporabo nanosekundnega laserskega bliska do zgostitve v enako kratkem času, se pri tem izsevajo elastični valovi—potujoče akustične tlačne motnje.

Meritev je bila posebna v tem, da se so uspeli izogniti ostalim pojavom, ki praviloma dominirajo pri interakcij svetlobe s snovjo. Ker so vodno gladino omejili s stekleno ploščo, so se znebili izbočenja gladine na mestu prehoda svetlobnega bliska v vodo in iz nje, kar je prvi zaznal že Nobelov nagrajenec Arthur Ashkin, in ta pojav pripisal povečanju gibalne količine svetlobe, ko ta vstopi iz snovi z nižjim v snov z višjim lomnim količnikom. Dodatno so poskrbeli, da so s svetlobnim bliskom vodo čim manj segreli in se s tem izognili termičnim učinkom. Preostale učinke interakcije so ločili v prostoru in času in tako opazovali le tisti del signala, ki ustreza elastičnih valovom, ki se izsevajo znotraj presvetljenega stolpca vode zaradi elektrostrikcije.

Ko so pojav skušali opisati z doslej znanimi različicami (formalizmi) klasične teorije sklopitve elektromagnetnega polja z dielektrično snovjo, so ugotovili, da večina teh formalizmov amplitude elastičnih valov, povzročenih z elektrostrikcijo, ne napove ustrezno. Tako so izločili teoretične različice, ki so jih ločeno predlagali Abraham, Minkowski, Chu in Ampère. Edino teorija, ki sta jo predlagala Einstein in Laub, se z novimi meritvami ujema, a za njo je znano, da ji manjka člen, ki opisuje magnetostrikcijo, elektrostrikciji podoben pojav. Zato so avtorji zgradili povsem novo mikroskopsko teorijo sklopitve elektromagnetnega polja s snovjo, ki hkrati pravilno opiše optično elektrostrikcijo v vodi in nima pomanjkljivosti formalizma Einsteina in Lauba.

Čeprav gre za temeljno raziskavo na področju fotonike, ki koplje po samih podstavah sklopitve elektromagnetizma s kondenzirano snovjo, je predvidena njena takojšnja uporabnost na področju optične manipulacije deformabilnih snovi. Podrobneje, ko se lasersko pinceto uporablja v biologiji in medicini za manipulacijo posameznih celic, je pomembno poznati pravilno prostorsko porazdelitev sile, ki deluje na celice, saj imajo močne lokalne optične sile nanje pomembne optomehanske učinke. Ker je voda glavna sestavina organske mehke snovi, igra elektrostrikcija v tem scenariju pomembno vlogo. Druga neposredna uporaba rezultatov teh raziskav je pri zelo natančnem optoakustičnem določanju absorpcijskega koeficienta svetlobe v tekočinah z majhnimi izgubami.

Izsledki raziskave bodo predstavljeni na uveljavljeni mednarodni konferenci 21st International Conference on Photoacoustic and Photothermal Phenomena, ki jo letos gosti Slovenija v soorganizaciji Fakultete za strojništvo Univerze v Ljubljani. https://indico.ung.si/event/5/

Raziskavo so finančno podprli: slovenska ARRS (program P2-0231), Evropska komisija (MSCA) ter tuji financerji CNPq, CAPES, Fundação Araucária, FINEP in COPEL.

Povezava do članka: https://doi.org/10.1038/s41377-022-00788-7

Povezava do novice o članku z izjavami avtorjev: https://phys.org/news/2022-04-unveiling-bulk-surface-dielectric-liquid.html

lsa

Slika: Umetniška ilustracija izseva elektrostrikcijskih elastičnih valov v vodi omejeni s steklenima ploščama. Merilni žarek, ki zaznava učinke, je prikazan z rdečo. [oblikovanje: Mikko Partanen, Aalto University | osnovano na računalniškem modelu eksperimenta: Nelson G. C. Astrath, Universidade Estadual de Maringá]

Animacija: Časovni razvoj porazdelitve tlaka v vodi in steklenih ploščah po bliskovni vzbuditvi, prikazani z začetnim bliskom zelene svetlobe. [oblikovanje: Mikko Partanen, Aalto University | osnovano na računalniškem modelu eksperimenta: Nelson G. C. Astrath, Universidade Estadual de Maringá]

nazaj na seznam