Füüsikud väänasid valguse Möbiuse leheks ({{commentsTotal}})

Möbiuse leht.
Möbiuse leht. Autor/allikas: Rochesteri ülikool

Ainult ühe külje ja servaga pinna loomine võib paista esmapilgul maagiana. Ometi piisab selleks vaid paberilehest õhukese riba lõikamisest, selle ühe otsa teistpidi käänamisest ja seejärel riba otste ühendamisest. Lihtsusele vaatamata ei leia Möbiuse lehti loodusest pea üldse. Rühm füüsikuid teatavad nüüd, et on suutnud Möbiuse lehti luua puhtast valgusest.

Kuigi töö peamiseks eesmärgiks oli selle võimalikkuse tõestamine, on uurimusel ka praktilisi rakendusi. „Selle kõik võimalikud rakendused pole meie jaoks veel sugugi täielikult selged, kuid optilisi Möbiuse lehti saaks kasutada näiteks polümeeridele mustrite kirjutamiseks, kolmemõõtmeliste struktuuride loomiseks ja uurida seejärel nende vastastikmõjusid teiste materjalidega. /.../ Seda saaks kasutada metamaterjalide konstrueerimiseks,“ tutvustas uurimuse kaasautor Ebrahim Karimi Ottawa ülikoolist võimalikke kasutusalasid.

Looduses mitteleitavate materjalidega on võimalik panna valgust ja heli käituma eksootiliselt viisil. Näiteks murda heli- ja valguslaineid ebaloomulikes suundades, pakkudes muu hulgas võimalust ehitada nähtamatuks tegevaid mantleid, superläätsi ja tavapärasest kordades paremaid elektromagnetlainete vastuvõtjaid.

Karimi töörühm kasutas optilise Möbiuse lehe loomiseks valguslaine pikisuunalist polarisatsiooni. Elektromagnetlained koosnevad elektri- ja magnetvälja komponendist, mis võnguvad teineteise suhtes risti. Valguse polarisatsioon peegeldab elektrivälja võnkesuunda. Õues käies nähtava valguse polarisatsioon on täielikult juhuslikult. Samas ei saa elektriväli võnkuda kunagi laine levimise suunas. „Kui tuua näiteks arvutiekraanist lähtuva otse silma jõudev valgus, siis puudub sellel ekraani ja silma sihis olev polarisatsiooni komponent täielikult,“ selgitas füüsik.

Viimane järeldub Maxwelli võrranditest, elektromagnetismi südameks olevatest seaduspäradest. „Kuid üldisematel juhtudel ei pea ristlainel see alati puuduma. Sa võid sattuda olukorda, kus on valgus koondatud väga tihedalt ja siis ei pea see enam paika. Kuigi z-komponent on võrreldes teistega äärmiselt väike, on see siiski olemas,“ lisas Karimi. Mida enam valgust fokuseerida, seda suuremaks see muutub.

Pikisuunaline komponent anti mikroskoobiga kahte superpositsioonis olevat rohelise valguse lainele, mille spinn ehk ringpolarisatsioon oli vastassuunaline ning mis olid eelnevalt läbinud q-plaadi. Element koosneb mitmetest vedelkristallidest, mis asetsevad üksteise suhtes erinevate nurkade all. Q-plaat andis valgusele struktuuri ja võimaldas luua kiire, mille polarisatsioon muutus selle laiuse ulatuses. Kiire keskel võis näha endiselt ringpolarisatsiooni, kiire äärtes aga tüüpilisemat lineaarset võnkesuunda. Sisuliselt oli elektrivälja võnkesuund kiire erinevates osades erinev.

„Tulemuseks oli polarisatsiooni Möbiuse leht, mille läbimõõt oli 200-250 nanomeetrit,“ märkis Karimi. q-plaati kergelt muutes õnnestus Möbiuse lehti, millel oli 1,5 ja 4,5 väänet. Struktuuride olemasolu ja elektrivälja võnkesuuna mõõtmiseks kasutati nanotomograafia meetodit, mida kirjeldasid Karimi kolleegid alles eelmisel aastal.

Möbiuse lehte peitev valguskiir suunati kuldnanosakesele, millelt see seejärel hajus. Nähtud hajumise alusel oli võimalik omakorda leida kiire elektrivälja võnkesuund selle erinevates osades. „Ilma selleta oleks taolise katse tegemine olnud võimatu. Maailmas pole meie teada teist tehnikat, mille abil z-komponenti mõõta,“ nentis Karimi. Viimane aitab mõista, miks võttis teoreetiliste ennustuste kontrollimine aega pea kümme aastat.

Uurimus võiks anda juhiseid ebaharilike aineliste struktuuride, näiteks Möbiuse ribade, nano- ja mikroskaalal konstrueerimiseks, millel võiksid omakorda olla eksootilised omadused, millega mõjutada elektromagnetvälju ja helilaineid. Seni on nende valmistamine olnud äärmiselt vaevanõudev, kuna puudus võimalus kontrollida selleks kasutatavate valguskiirte pikisuunalist komponenti.

Uurimus ilmus ajakirjas Science.

Allikas: Science



Hea lugeja, näeme et kasutate vanemat brauseri versiooni või vähelevinud brauserit.

Parema ja terviklikuma kasutajakogemuse tagamiseks soovitame alla laadida uusim versioon mõnest meie toetatud brauserist: