В "темном свете" обнаружены оптические вихри и скрытые цвета
Физики из Университета Глазго в Великобритании впервые наблюдали скрытые цвета, которые, как недавно было предсказано, должны существовать в "темном свете".
"Темный свет" - очевидный оксюморон, расхожая метафора, нечто из области поэзии или, "на худой конец", фантастики (Виталий Мелентьев, "Черный свет")... Но на самом деле он существует и вполне реален. Это результат наложения двух или большего числа световых пучков (в частности, монохроматических), которые как бы "уравновешивают" друг друга (волновые максимумы одного пучка накладываются на минимумы другого), в результате чего формируется пятно, которое человеческому глазу кажется черным.
Феномен темного света тесно связан с областями пространства, известными под именем "фазовые дислокации" (phase dislocations) или сингулярности (то есть это такой своеобразный световой "вывих"). В такой области волновая фаза света не определена и может иметь любое значение между нолем и 2π. Если такая фазовая особенность представляет из себя линию, "бегущую" параллельно оси пучка, то ее называют "оптическим вихрем" ("optical vortex"). В силу ряда аспектов фундаментального характера, а также возможности оригинальных технических приложений, изучение оптических вихрей ведется у нас в стране и за рубежом весьма бурными темпами. В настоящее время в оптике фактически сформировалась новая область, называемая "оптикой винтовых полей" или "сингулярной оптикой". В ее рамках рассматриваются свойства оптических вихрей, а также физический механизм их образования.
В 2002 году Майкл Берри (Michael Berry) из британского Бристольского университета предсказал, что вблизи такого вихря существует возможность увидеть некие цветные структуры. Теперь Джонатан Лич (Jonathan Leach) и Майлс Паджетт (Miles Padgett) смогли пронаблюдать эти эффекты в своих экспериментах в Глазго (Optics Group projects at the University of Glasgow).
Лич и Паджетт создали вихрь на основе белого света от 200-ваттной вольфрамовой галогенной лампы и "пространственно-светового модулятора" - голографической дифракционной решетки, изготовленной из жидких кристаллов. Этот модулятор позволил им получить световой пучок, в котором все фотоны имели тот же самый "орбитальный угловой момент", даже при том, что пучок содержал много различных длин волн (не был монохроматическим). После этого исследователи пустили пучок, содержащий вихрь, через стандартную цветовую CCD-камеру, которая реагировала на красно-сине-зеленый цветовой ряд, подобный тому, что видят человеческие глаза. Поскольку "вихри" представляют собой области нулевой интенсивности света, цветовые эффекты, предсказанные теорией, едва обнаружимы. Эти эффекты были выявлены за счет применения к полученным изображениям специального цветового усилителя - хромоскопа.
Исследователи заявляют, что хотя сам световой вихрь имеет ограничения в плане практического применения, свет с орбитальным угловым моментом может быть использован в квантовых коммуникациях, которые совсем недавно стали реальностью. Кроме того, изучаемые эффекты могут применяться для того, чтобы заманить в ловушку и вращать микрообъекты в своеобразном "оптическом пинцете".
Источник:
Optical vortices show their true colours - PhysicsWeb
Ссылка:
Пучки с винтовыми дислокациями волнового фронта. Элементы сингулярной оптики - Павел Короленко, д-р физ.-мат. наук
На иллюстрации:
Наблюдаемое сечение светового вихря пучка белого цвета, подвергнутого дисперсии, после применения хромоскопа. Положения вихрей отмечены соответствующими цветными точками. Фото с сайта PhysicsWeb
Справка
Оптические вихри и винтовые дислокации
Как известно, волновой фронт световых пучков, близких по своим свойствам к плоской волне, выглядит как семейство непересекающихся поверхностей. Расстояние между соседними поверхностями равно длине волны. Имеющие место в реальных пучках отклонения волновых фронтов от плоской формы называются оптическими аберрациями. Однако все аберрации, рассматриваемые в классической теории, деформируют волновой фронт без изменения его топологии.
Иная картина наблюдается при наличии в лазерном пучке оптических вихрей. Если такие вихри появились, то на поверхности волнового фронта присутствуют особые точки, которые во многих отношениях аналогичны известным в физике твердого тела дефектам кристаллической решетки - винтовым дислокациям и имеют такое же название. В самой особой точке амплитуда световых колебаний обращается в нуль, а значение фазы не определено. Из-за наличия такой особенности функция фазового распределения относится к классу сингулярных функций, что и стало причиной появления термина "сингулярная оптика". Основное свойство винтовой дислокации состоит в том, что при обходе вокруг нее по поверхности волнового фронта фаза изменяется ровно на 2π. На поверхности волнового фронта может возникать как единичная винтовая дислокация, так и целая система дислокаций. В зависимости от направления закрутки, винтовая дислокация подразделяются на левые (отрицательные) и правые (положительные).
Оптико-физические процессы, вызывающие появление оптических вихрей, весьма разнообразны. Излучение с вихревой структурой может при определенных условиях формироваться в результате интерференции лазерных пучков с исходно регулярным волновым фронтом, при их прохождении через случайно-неоднородные и нелинейные среды, а также через волоконные многомодовые световоды или специальным образом изготовленные голограммы. Кроме того, возможно возбуждение вихревых полей непосредственно в лазерах.
Дословно
Джонатан Лич из Университета Глазго
Картина, которая была в результате получена, оказалась полностью эквивалентна тому, что предсказывал Майкл Берри. Мы видим, что положение вихря отмечено характерной цветной структурой с переходом от красного к голубому (поперек вихря), разделенной узкой фиолетовой областью без зеленого цвета.
Статьи по теме
В "темном свете" обнаружены оптические вихри и скрытые цвета
Физики из Университета Глазго впервые наблюдали скрытые цвета, которые, как недавно было предсказано, должны существовать в "темном свете". Феномен темного света тесно связан с областями пространства, известными как "фазовые дислокации" или сингулярности, которые изучаются в рамках сингулярной оптики. Кроме всего прочего, подобные эффекты могут применяться для того, чтобы заманить в ловушку и вращать микрообъекты в своеобразном "оптическом пинцете".
Американские физики спасли теорию Эйнштейна: информация действительно не может передаваться быстрее света
Группа американских физиков, не щадя своего времени и средств, помогла торжеству здравого смысла: они доказали, что следствие не может предшествовать своей причине. Эксперименты подтвердили, что недавнее сенсационное исследование, согласно которому свет, казалось, распространялся со скоростью, превышающей его же собственную скорость в вакууме, не противоречит основополагающему для физики понятию причинно-следственной связи.
Скрипка и футбольный мяч: ученые вычисляют форму космоса
Первоначальная обработка данных, полученных зондом WMAP, казалось, подтвердила теорию, что наш мир является бесконечным и "плоским", однако интерпретация очередного массива данных от того же самого зонда дает теперь уже совершенно противоположный результат: окружающий нас космос может быть не только конечным, замкнутым и сравнительно небольшим по объему, но и имеет форму додекаэдра. Это своего рода 12-сторонний зал с волшебными зеркалами, создающими иллюзию бесконечности за счет отображения нескончаемого ряда копий одних и тех же звезд, находящихся, правда, на разных этапах своего развития.
Физики надеются обнаружить изменение фундаментальных констант со временем
Две группы физиков на протяжении последних лет провели целый ряд аккуратных экспериментов в надежде обнаружить непостоянство природных констант, до сих пор считавшихся не изменяющимися со временем. До настоящего момента данные на эту тему добывались астрофизическими методами и указывали на возможность подобных вариаций.
Копейкина опровергают американцы, но Эйнштейн пока не пострадал
Альберт Эйнштейн, возможно, был прав, постулировав, что скорость гравитации равна скорости света, но вопреки заявлению Копейкина и Фомалонта, сделанному ими в самом начале этого года, это положение все еще не доказано экспериментально. Очередной удар по позициям нашего соотечественника Сергея Копейкина нанесли специалисты из Лаборатории Беркли.
Впервые удалось измерить скорость гравитации
Впервые с приемлемой точностью удалось измерить скорость гравитации. Измерялось небольшое видимое изменение позиции квазара, вызванное изгибом пути радиоволн от этого источника в поле тяготения Юпитера. Результат важен с точки зрения "закрытия" некоторых вариантов современных теорий и поддержки других - он связан с космологическими теориями множественных вселенных и так называемой теории струн или суперструн.
Замаскированная квантовая почта может объяснить молчание внеземных цивилизаций
Если внеземные цивилизации действительно существуют и при этом не являются исключительной редкостью, то почему мы так и не смогли до сих пор получить от них никаких сигналов? Два физика объясняют эту ситуацию исключительной осторожностью инопланетян. При этом они считают, что есть возможность отправлять сигналы, не открывая своего местоположения.
Магическое число научит летать и плавать
Одно-единственное "магическое" число описывает движения летающих и плавающих живых организмов, начиная от какой-нибудь моли и кончая дельфинами. Изучение его значения проливает свет на "летные навыки" давно исчезнувших с лица земли созданий и может помочь военным инженерам проектировать крошечных крылатых шпионов, которые могли бы обследовать занятые врагом здания, не привлекая к себе лишнего внимания.
Последняя нерешенная проблема классической физики близка к решению благодаря сверхтекучему гелию
Это кажется невероятным, но теории гидродинамической турбулентности в завершенном виде не существует до сих пор, созданы только так называемые полуэмпирические теории турбулентности. Вообще это является одной из важнейших проблем современной теорфизики. Теперь сделан важный шаг в описании турбулентности в сверхтекучем гелии-3, что может помочь, наконец, в решении проблемы турбулентности и в классических жидкостях.
Получен рекордный ультрахолодный "атомный снежок"
2500 атомов натрия охладили до половины миллиардной части градуса выше абсолютного нуля - температуры, при которой колебания атомов почти полностью замирают. В результате получается ни много ни мало как принципиально новое, пятое состояние вещества - так называемый конденсат Бозе - Эйнштейна.
Физики, возможно, наблюдали магнитные монополи
Поль Дирак в 1931 году выдвинул гипотезу, согласно которой в природе должны существовать некие экзотические частицы, являющиеся переносчиками изолированных "магнитных зарядов" - магнитные монополи. Но до сих пор все попытки обнаружить в эксперименте эти неуловимые частицы были безуспешными. Однако теперь группа физиков из Японии, Китая и Швейцарии утверждает, что им все-таки удалось найти косвенное свидетельство существования таких монополей Дирака.
Экспериментаторы ищут новые силы, предсказанные теориями суперструн
Самый чувствительный на настоящее время эксперимент по оценке гравитационного взаимодействия на сверхмалых расстояниях не дал новых козырей в руки сторонников теории суперструн. Но, несмотря на все это, идеи дополнительных измерений становятся необычайно популярными в связи с кризисом стандартных физических моделей, не способных объяснить новые наблюдения - ускоренно расширяющейся Вселенной, в которой царит темная энергия.
Зубы Супермена могут служить сверхпроводником
Британские исследователи выяснили, что фосфор, элемент, как известно, содержащийся в человеческих зубах, может в принципе выступать в роли сверхпроводника. Правда человеку потребовалась бы мощь какого-нибудь Супермена, чтобы сжать свои зубы с силой, достаточной для достижения необходимого эффекта, поскольку переход в сверхпроводящее состояние произойдет лишь при давлении около 2,5 мегабар.
Новая теория шаровых молний
Джон Джилман из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе недавно предположил, что по крайней мере одно из свойств шаровой молнии - когезию (cohesion), способность удерживать частицы, составляющие оболочку светящегося шара, вместе на протяжении десятков секунд или даже минут - можно объяснить в терминах атомов Ридберга. Однако другие исследователи, занимающиеся изучением этого феномена, отнеслись к такому выводу скептически.
Когда сказка станет пылью... (Нанотехнологии: революция начинается)
В самые ближайшие годы произойдет технологическая революция, в результате которой мы обзаведемся портативными мощными хранилищами памяти, всевидящими глазами и всеслышащими ушами, невидимыми помощниками, готовыми исполнить любую прихоть, и к тому же станем практически бессмертными.
Мезоны устраивают "похороны" классической физике
Хорошо известные в квантовой механике неравенства Белла впервые были проверены в эксперименте с участием высокоэнергетичных частиц в лаборатории KEK в Японии. Причем именно нарушение этих знаменитых неравенств и является серьезным аргументом в пользу истинности современного понимания квантовой теории и позволяет "похоронить" так называемые "теории скрытых параметров", в определенном смысле привязанные к классической физике.
Силу, возникающую из пустоты, приспособят к чему-нибудь путному
Генрих Казимир еще в 1948 году предложил эксперимент, который мог бы подтвердить квантовую теорию физического вакуума (то, что вакуум на самом деле не пуст, а заполнен то и дело виртуально возникающими и исчезающими парами частиц и античастиц). Теперь американские исследователи сумели проверить этот эффект с точностью до 0,5 %. Выяснилось, что эффект Казимира действительно должен серьезно влиять на наноразмерные устройства.
Разработана батарейка для наномашин
Американские исследователи запатентовали технологию, позволяющую создавать батарейки поперечником в тысячные доли миллиметра. Изготовление таких микроскопических блоков питания - первый и едва ли не самый неотложный шаг к построению реально работающих наномашин. Сверхминиатюрные роботы могли бы производить химический анализ окружающей среды или вводить микропорции лекарства, находясь в человеческом организме.
Теория относительности топит субмарины
Бразильский физик решил задачку, "подброшенную" релятивистской теорией, так называемый "парадокс субмарины". Для разбора этого "парадокса" пришлось использовать Общую теорию относительности и включить в решение эффект искривляющих пространство гравитационных сил, получив своеобразный модифицированный релятивистский закон Архимеда.