Forskere observerer forgrenet lysstrøm for første gang

Et team af forskere fra Technion - Israel Institute of Technology har observeret forgrenet lysstrøm for allerførste gang. Resultaterne er offentliggjort i Natur og findes på forsiden af ​​2. juli, 2020 nummer.

Undersøgelsen blev udført af ph.d. studerende Anatoly (Tolik) Patsyk, i samarbejde med Miguel A. Bandres, som var postdoktor ved Technion, da projektet startede og nu er adjunkt på CREOL, College of Optics and Photonics, University of Central Florida. Undersøgelsen blev ledet af Technions præsident professor Uri Sivan og fornemme professor Mordechai (Moti) Segev fra Technions fysik- og elektrotekniske fakulteter, Solid State Institute, og Russell Berrie Nanotechnology Institute.

Når bølger bevæger sig gennem landskaber, der indeholder forstyrrelser, de spredes naturligt, ofte i alle retninger. Spredning af lys er et naturligt fænomen, findes mange steder i naturen. For eksempel, spredning af lys er årsagen til himmelens blå farve. Det viser sig, når længden, over hvilken forstyrrelser varierer, er meget større end bølgelængden, bølgen spredes på en usædvanlig måde:den danner kanaler (grene) med øget intensitet, der fortsat deler sig, eller forgrener sig, som bølgen formerer sig. Dette fænomen er kendt som forgrenet strømning. Det blev først observeret i 2001 med elektroner, og var blevet foreslået at være allestedsnærværende og forekomme også for alle bølger i naturen, for eksempel lydbølger og endda havbølger. Nu, Technion -forskere bringer forgrenet strøm til lysets domæne:de har foretaget en eksperimentel observation af forgrenet lysstrøm.

"Vi havde altid til hensigt at finde noget nyt, og vi var ivrige efter at finde den. Det var ikke det, vi begyndte at lede efter, men vi blev ved med at lede, og vi fandt noget langt bedre, "sagde Asst. Prof. Miguel Bandres." Vi er bekendt med, at bølger spredes, når de formerer sig i et homogent medium. Men for andre slags medier, bølger kan opføre sig på meget forskellige måder. Når vi har et uordentligt medium, hvor variationerne er glatte, som et landskab med bjerge og dale, bølgerne vil forplante sig på en ejendommelig måde. De vil danne kanaler, der bliver ved med at dele sig, når bølgen formerer sig, danner et smukt mønster, der ligner grenene på et træ. "

I deres forskning, teamet koblede en laserstråle til en sæbemembran, som indeholder tilfældige variationer i membrantykkelse. De opdagede, at når lys forplanter sig inden i sæbefilmen, frem for at være spredt, lyset danner aflange grene, skaber det forgrenede flowfænomen for lys.

"I optik arbejder vi normalt hårdt på at få lyset til at holde fokus og forplante sig som en kollimeret stråle, men her er overraskelsen, at sæbefilmens tilfældige struktur naturligvis fik lyset til at holde fokus. Det er endnu en af ​​naturens overraskelser, "sagde Tolik Patsyk.

Evnen til at skabe forgrenet flow inden for optik giver nye og spændende muligheder for at undersøge og forstå dette universelle bølgefænomen.

"Der er ikke noget mere spændende end at opdage noget nyt, og dette er den første demonstration af dette fænomen med lysbølger, "sagde Technions præsident, prof. Uri Sivan, Bertoldo Badler akademisk formand på Det Fysiske Fakultet. "Dette viser, at spændende fænomener også kan observeres i enkle systemer, og man skal bare være opfattende nok til at afdække dem. Som sådan, at samle og kombinere synspunkter fra forskere fra forskellige baggrunde og discipliner har ført til nogle virkelig interessante indsigter. "

Han tilføjede, "Det at vi observerer det med lysbølger åbner bemærkelsesværdige nye muligheder for forskning, begyndende med det faktum, at vi kan karakterisere det medium, hvor lys forplanter sig til meget høj præcision, og det faktum, at vi også kan følge disse grene nøjagtigt og studere deres egenskaber. "

Fremstående professor Moti Segev, Robert J. Shillman, fremragende professor i fysik og elektroteknik, ser på fremtiden. "Jeg uddanner altid mit team til at tænke ud over horisonten, " han sagde, "at tænke på noget nyt, og på samme tid - at se på de eksperimentelle fakta, som de er, i stedet for at forsøge at tilpasse eksperimenterne til at imødekomme forventet adfærd. Her, Tolik forsøgte at måle noget helt andet, og blev overrasket over at se disse lyse grene, som han ikke i første omgang kunne forklare. Han bad Miguel om at deltage i eksperimenterne, og sammen opgraderede de eksperimenterne betydeligt - til det niveau, de kunne isolere den involverede fysik. Det var da vi begyndte at forstå, hvad vi ser. Det tog mere end et år, før vi forstod, at det, vi har, er det mærkelige fænomen "forgrenet strømning, "som dengang aldrig blev overvejet i forbindelse med lysbølger. Nu, med denne observation - kan vi tænke på en overflod af nye ideer. For eksempel, ved hjælp af disse lette grene til at kontrollere den fluidiske strømning i væske, eller at kombinere sæben med lysstof og få grenene til at blive små lasere. Eller for at bruge sæbemembraner som en platform til at udforske grundlæggende bølger, såsom overgangene fra almindelig spredning, som altid er diffusiv, til forgrenet flow, og efterfølgende til lokalisering af Anderson. Der er mange måder at fortsætte dette pionerstudie på. Som vi gjorde mange gange tidligere, vi vil gerne dristigt gå derhen, hvor ingen er gået før. "

Projektet fortsætter nu i laboratorierne hos Profs. Segev og Sivan hos Technion, og parallelt i det nyoprettede laboratorium af prof. Miguel Bandres ved UCF.