En trojansk tilgang til at lede og fange lysstråler via Lagrange-punkter

Pålidelig styring og indfangning af optiske bølger er central for funktionen af ​​forskellige moderne teknologier, herunder kommunikations- og informationsbehandlingssystemer. Den mest konventionelle tilgang til at lede lysbølger udnytter den totale interne refleksion af optiske fibre og andre lignende strukturer, men alligevel har fysikere for nylig udforsket potentialet i teknikker baseret på andre fysiske mekanismer.

Forskere ved University of Southern California udtænkte for nylig en yderst innovativ tilgang til at fange lys. Denne metode, introduceret i Nature Physics , udnytter de eksotiske egenskaber ved Lagrange-punkter, de samme ligevægtspunkter, som styrer kredsløbene for primordiale himmellegemer, såsom såkaldte trojanske asteroider i sol-Jupiter-systemet.

"Opdagelsen af ​​Lagrange-punkter, som tilfældigvis er afgørende i denne forskning, kan spores tilbage til Leonhard Eulers og Joseph-Louis Lagranges tidlige arbejde, som fandt ud af, at på disse steder kan den gravitationelle tiltrækning udøvet af to store legemer være præcist opvejet af centrifugalkræfter," fortalte Mercedeh Khajavikhan og Demetrios N. Christodoulides, medforfattere af avisen, til Phys.org.

"Mens nogle af disse punkter, især og, allerede er ansat som strategiske positioner i rummet for satellitstabilitet med minimalt drivmiddelforbrug (som eksemplificeret ved James Webb-teleskopet og den nyligt udsendte Aditya L1-satellit), fokuserer vores undersøgelse på de spændende egenskaber ved og Lagrange-punkter."

Trojanske asteroider er en stor gruppe af asteroider, der kredser rundt om solen på samme bane som planeten Jupiter. Lagrange-punkter, opkaldt efter den berømte matematiker Lagrange, der afslørede dem, er positioner i rummet, hvor tyngdekraften af ​​to legemer i det samme system (f.eks. Solen og Jupiter) producerer forbedrede områder med tiltrækning og frastødning.

Som en del af deres undersøgelse satte Khajavikhan og Christodoulides sig for at undersøge potentialet i at udnytte disse positioners unikke fysik til at lede og fange lysbølger. I deres papir viste forskerne, at brugen af ​​og Lagrange-punkter til optiske applikationer på nogle måder minder om at fange trojanske asteroider i sol-Jupiter-kredsløbet.

"Den Lagrange optiske bølgeleder induceres ved at føre strøm gennem en spiralformet ledning i en hærdet siliciumoliecylinder," sagde Khajavikhan og Christodoulides.

"Ved hjælp af den termo-optiske effekt frembringer dette igen et snoet indekslandskab, hvor fotonafstødningen i dette tilfælde balanceres af centrifugalkraften. Modintuitivt produceres der i denne bjergskråningsindeksprofil et stabilt Lagrange-punkt. og som et resultat bliver en trojansk optisk stråle fanget på en todimensionel måde i denne position."

Som en del af deres undersøgelse skabte Khajavikhan og Christodoulides et kompakt system i deres laboratorium, der gengiver egenskaberne af Lagrange-punkter, såsom dem, der observeres i trojanske asteroiders kredsløb. Deres laboratoriebyggede system bestod af en spiralformet jerntråd indsat i et medium med et temperaturafhængigt brydningsindeks.

Forskerne kunne senere opvarme dette medium på en ikke-homogen måde ved at føre elektricitet gennem ledningen. I sidste ende muliggjorde denne proces dannelsen af, hvad de refererer til som en trojansk optisk stråle.

Dette simple eksperiment førte til meget interessante observationer. Interessant nok fandt forskerne ud af, at optiske trojanske stråler kunne styres eller fanges i dette defokuserende brydningsindeksmiljø, noget der ikke er muligt under normale omstændigheder.

"Vigtigere er det, at brydningsindekslandskabet, hvor disse optiske stråler er fanget, er fuldstændig umærkeligt, og det har ingen som helst funktioner, der kunne forudsige en vejledende reaktion," sagde Khajavikhan og Christodoulides. "I bund og grund er den optiske stråle fanget i et intetsteds-land - i helt upåfaldende områder, hvor der ikke eksisterer nogen konventionelle bølgelederstrukturer."

Det nylige arbejde fra dette team af forskere viser, at de unikke egenskaber ved Lagrange-punkter kan udnyttes til at guide og fange lysbølger. I fremtiden kan det udgøre udviklingen af ​​nye teknikker til at styre optiske bølger i ukonventionelle miljøer, når konventionelle tilgange er ineffektive, såsom i væsker og gasser.

"En mulig vej til yderligere udforskning kunne være brugen af ​​trojanske stråler i forstærkende (laser) systemer, hvor optisk forstærkning eller tab kan etablere alternative metoder til stråletiltrækning eller frastødning i fuldt dielektriske medier," sagde Khajavikhan og Christodoulides.

Hidtil har forskerne kun fokuseret på brugen af ​​Lagrange-punkter til at lede lysstråler. Men i fremtiden kan den metodologi, de udviklede, også afprøves inden for andre områder af fysik, der rækker ud over optik, for eksempel som en teknik til at styre akustiske bølger eller ultrakolde atomer.

"På dette tidspunkt planlægger vi at undersøge muligheden for at lede lys i akustiske bølger i både flydende og gasformige medier," tilføjede Khajavikhan og Christodoulides. "Endelig ville det være interessant at observere for første gang at fange og transportere dielektriske mikro- og nanopartikler i Lagrange-bølgeledere ved hjælp af optiske traktorstråler, hvor flere Lagrange-punkter kan induceres - et aspekt, der ikke er muligt i himmelmekanik."

Flere oplysninger: Haokun Luo et al., Vejledning af trojanske lysstråler via Lagrange-punkter, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02270-6

Journaloplysninger: Naturfysik

© 2024 Science X Network