Свет пробился сквозь твёрдое тело
Установка контролируемого распространения волн, на которой был проведён эксперимент (фото Universiteit Twente).
Можно ли светить фонариком сквозь стену? Оказывается, что можно, но не всяким фонариком и не через всякую стену.
Нидерландским физикам удалось доказать на практике давнишнюю теоретическую разработку и заставить 2/3 фотонного излучения пройти сквозь твердотельный материал без потерь.
» Нажмите, для открытия спойлера | Press to open the spoiler «
Свет, напомним, является электромагнитной волной, то есть равномерно распространяющимся от какого-либо источника возмущением электрических и магнитных полей – подобно кругам на воде от брошенного камня.
Существует и такой замечательный класс объектов, как неупорядоченные материалы (disordered materials). В классическом кристалле, к примеру, все атомы образуют стройную решётку, а вот в неупорядоченном – одни атомы находятся близко, другие подальше, и так далее.
Это очень перспективная технология изготовления различных сплавов. Даже эксклюзивные клюшки для гольфа теперь так делают.
Но нидерландские физики Аллард Моск (Allard Mosk) и Иво Веллекоп (Ivo Vellekoop) из университета Твента (Universiteit Twente) решили пойти ещё дальше и найти экспериментальное подтверждение теории 20-летней давности.
А связана она с возможностью проникновения света сквозь твёрдое тело. Дело в том, что когда волна натыкается на неупорядоченный материал, различные её участки (если продолжить аналогию с кругами на воде, то это сегменты внешней окружности волны) отражаются от мириад мини-поверхностей, образованных внутренней структурой тела.
Бóльшая часть света рассеивается, но кое-что всё же проникает. Чем шире "полоса препятствий", тем больше коэффициент рассеивания.
Ещё в 1980-х было разработано теоретическое обоснование возможности "протащить" волну сквозь толстый-толстый слой неупорядоченного материала без серьёзных потерь. Модель получала название "Теория случайных матриц".
Согласно ей, должен существовать так называемый открытый канал (open channel) внутри тела из такого материала. По каналу свет может не просто пройти насквозь, но (хотя бы частично) сфокусироваться в определённой точке.
Каким образом? Вспомним ключевое слово в приведённом выше определении волны: в естественных условиях распространение возмущения происходит равномерно.
Идея в том, чтобы излучение было не равномерным, а особым образом "отформатированным": волна должна превратиться в некое подобие военного легиона – с авангардом и арьергардом.
Неупорядоченный материал рассеивает обычные волны (слева), но специально отформатированные (справа) всё же пробиваются к мишени. Толщина непрозрачной в проведённом эксперименте составила 11,3 микрометра (иллюстрация Allard Mosk, Ivo Vellekoop/Universiteit Twente).
В то время как "передовые части" фотонов рассеиваются при взаимодействии с препятствием, основная часть "боевых порядков" набегает сзади и усиливает отражённый свет – благодаря интерференции.
На практике всё упиралось в создание устойчивого открытого канала. В статье, направленной на рассмотрение в журнал Physical Review Letters, голландские учёные утверждают, что им удалось добиться требуемого эффекта.
Они сфокусировали лазер на непрозрачном куске гранулированного оксида цинка и с помощью цифровой камеры замерили коэффициент рассеивания света на мишени за препятствием.
Затем исследователи фиксировали параметры проникающего к мишени света и соответствующим образом меняли "форму" волны – с помощью специальной жидкокристаллической линзы, которая способна как бы задерживать отдельные её участки.
Путём подгонки этого параметра учёные достигли увеличения "дальнобойности" света на 44% (по сравнению с обычным источником излучения).
В итоге получилось, что сквозь непрозрачный (правда, неупорядоченный) объект можно передать 2/3 светового излучения. Вне зависимости от его толщины!
По мнению Джона Пендри (John Pendry) из Имперского колледжа Лондона (Imperial College London), одного из авторов теории случайных матриц, полученные результаты "весьма глубоки и основательны".
Он рад, что идея 20-летней давности наконец-то нашла экспериментальное подтверждение и уверен в практической пользе полученного эффекта.
Например, считает британский учёный, с помощью усиления передачи света сквозь твердотельные материалы можно будет создать новую диагностическую аппаратуру для медицинских целей или даже улучшить приём мобильных телефонов.
Источник: Membrana, Science
