Физици създадоха нов тип структурирана светлина: оптичен ротатум

Ваня Милева Последна промяна на 17 април 2025 в 00:00 1353 0

Еволюция на светлинен лъч, носещ оптичен ротатум, като функция на разстоянието на разпространение

Кредит Dorrah et al., doi: 10.1126/sciadv.adr9092.
Еволюция на светлинен лъч, носещ оптичен ротатум, като функция на разстоянието на разпространение

Учени от Харвардския университет са открили нов начин, по който светлината може да се държи – те го наричат оптичен ротатум. Това е специален вид светлинен лъч, който се върти, променяйки формата си, докато продължава да се движ през пространството.

Този лъч се върти по логаритмична спирала – това е форма, която можем да видим в природата, например в морски раковини, слънчогледови семки или дори в галактики.

За да разберем какво означава този термин "ротатум", нека си припомним или се запознаем с няколко други.

Движение, въртене, производни

Скорост и ускорение

Скоростта е мярка за това колко бързо нещо променя мястото си – например ако кола се движи с 60 км/ч, това е нейната скорост. В математиката скоростта е първата производна на разстоянието спрямо времето – това просто означава "колко бързо се променя разстоянието с времето".

Ускорението пък показва колко бързо се променя скоростта – това е втората производна на разстоянието спрямо времето. Ако натиснем педала на газта и скоростта на автомобила започне да се увеличава, значи колата се ускорява.

Ъглово ускорение и въртене

Когато нещо се върти, вместо да се движи по права линия, не говорим просто за скорост, а за ъглова скорост – тя показва колко бързо се завърта обектът.

Ъгловото ускорение е колко бързо се променя тази ъглова скорост – например, ако вентилатор започва да се върти все по-бързо. То е първа производна на ъгловата скорост по времето.

Ротатум и шут 

Скоростта на промяна на ускорението, (което наричат "шут" (jerk), е лесно разбираема в рамките на Нютоновата механика - но не се използва често, защото постоянна сила произвежда постоянно ускорение и няма много примери за сили, които нарастват или намаляват по прост линеен начин. Това е третата производна на разстоянието спрямо времето.

Въпреки това, има места, където разбирането на скоростта на промяна на ускорението е важно. Самолетите имат на таблото си акселерометър (уред, измерващ промяната на ускорението), който измерва натоварването при резки маневри върху конструкцията, което не бива да преминава определена граница.

Ротатумът (rotatum) е рядко използван термин, означаващ промяна в ъгловото ускорение и представлява втората производна на ъгловата скорост по времето.

Както може да сте усетили производните от по-висок порядък на позицията или ъгловата позиция (като jerk, ротатум и т.н.) могат да бъдат изчислени от променливите от по-нисък порядък (ускорение, ъглово ускорение), които от своя страна са резултат от решаването на уравненията на движението.

Оптичният ротатум

В новото изследване учените използват термина "ротатум", за да опишат, че светлината може да се върти като се променя с разстоянието, докато се разпространява.

"Това е ново поведение на светлината, състоящо се от оптичен вихър, който се разпространява в пространството и се променя по необичайни начини", коментира професор Федерико Капасо (Federico Capasso), водещ автор на изследването.

Какво откриват учените?

Обикновено светлината се движи по права линия. Но тук учените са създали лъч от светлина, който се върти и има нещо като "вътрешно завихряне" – нарича се оптичен вихър. Този вихър носи орбитален ъглов момент – това означава, че светлината има нещо като въртеливо движение около своята ос, подобно на планетите, които се въртят около Слънцето.

Този "вихър" не е статичен – той се променя по специфичен начин, докато се движи напред. Формата му следва логаритмична спирала, която е свързана с известния ред на Фибоначи (математическа последователност, често срещана в природата).

Вторият закон на Нютон гласи: Сила = маса × ускорение.

Аналогично, при въртенето имаме: Въртящ момент = момент на инерция × ъглово ускорение

В случая, светлината действа като нещо, което придава въртящ момент на частици – създава сила чрез своето "въртене". Именно това е ротатумът – нов тип светлинен въртящ момент, който може да оказва влияние на обекти по нов начин.

Как са го направили?

Това изследване надгражда предишна работа, в която екипът използва метаповърхност - тънка леща, гравирана с наноструктури, пречупващи светлината, за да създаде светлинен лъч с контролирана поляризация и орбитален ъглов момент по пътя на разпространението му, преобразувайки всяка входяща светлина в други структури, които се променят при движението ѝ.

Сега те въвеждат още една степен на свобода на своята светлина, при която могат да променят и нейния пространствен въртящ момент, докато се разпространява.

"Показваме още по-голяма гъвкавост на управлението и можем да го правим непрекъснато", отбелязва Алфонсо Палмиери (Alfonso Palmieri), съавтор на изследването.

Обикновено, за да се направи такъв екзотичен светлинен лъч, се включва контрол на много малки частици, като колоиди в суспензия, чрез прилагане на сила, за да се оформи необичайния въртящ момент на светлината.

Докато други са демонстрирали светлина с променящ се въртящ момент, използвайки лазери с висока интензивност и обемисти инсталации, сега учените са направили своята екзотична светлина с помощта на един течнокристален дисплей и лазерен лъч с ниска интензивност.

Показвайки, че могат да създадат ротатум в съвместимо с промишлеността интегрирано устройство, бариерата за навлизане на тяхната технология в реалността е много по-ниска от предишните демонстрации.

Какво може да се прави с тази светлина?

Светлината, която има такава въртяща се сила, може да влияе на много малки частици – например микроскопични капчици или клетки.

Това я прави подходяща за неща като оптични пинсети (инструменти, които хващат и местят малки обекти чрез светлина). Тази усукваща се светлина може да намери приложение в нови технологии в комуникациите и сензорите, а също и в изследвания на материя при екстремни условия, като в свръхстудени газове (например Бозе-Айнщайнови кондензати).

"Надяваме се, че ще успеем да вдъхновим и други специалисти по приложна математика да продължат да изучават тези светлинни модели и да получат уникално разбиране за техния универсален подпис.ю", коментир д-р Ахмед Доррах (Ahmed Dorrah), първи автор на изследването.

"Нашата работа разширява досегашната литература за структурираната светлина, предлага нови условия за взаимодействие между светлина и материя, комуникации и сензори и подсказва за аналогични ефекти във физиката на кондензираната материя и Бозе-Айнщайновите кондензати", заключават авторите.

Справка: Ahmed H. Dorrah et al. 2025. Rotatum of light. Science Advances 11 (15); doi: 10.1126/sciadv.adr9092

Източник: Physicists Create New Type of Structured Light: Optical Rotatum, Sci.News

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Физика

    Коментари

    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !