Нанофотоничен оркестър свири туист

Учени от Университета в Бат* откриват нов физически ефект, свързан с взаимодействията между светлината и усуканите материали – ефект, който вероятно ще има последици за възникващите нови нанотехнологии в комуникациите, нанороботиката и свръхтънките оптични компоненти.
През XVII и XVIII век италианският майстор Антонио Страдивари произвежда музикални инструменти с легендарно качество, а най-известни са неговите така наречени цигулки „Страдивариус“. Това, което прави музиката на тези инструменти едновременно красива и уникална, е техният специфичен тембър, известен също като цвят на тона или качество на тона. Всички инструменти имат тембър – когато се свири музикална нота (звук с честота fs), инструментът създава хармоници – честоти, които са няколко пъти
кратни на началната честота, т.е. 2fs, 3fs, 4fs, 5fs, 6fs и т.н..
По същия начин, когато светлината с определен цвят (с честота fc) свети върху материали, тези материали също могат да произвеждат хармоници (светлинни честоти 2fc, 3fc, 4fc, 5fc, 6fc и т.н.). Хармониците на светлината разкриват сложни свойства на материала, които намират приложение в медицинските изображения, комуникациите и лазерните технологии.
Например почти всеки зелен лазерен показалец всъщност е инфрачервен, чиято светлина е невидима за човешките очи. Зелената светлина, която виждаме, всъщност е втората хармоника (2fc) на инфрачервения лазерен показалец и се произвежда от специален кристал вътре в показалеца.
Както в музикалните инструменти, така и в материалите, някои честоти са „забранени“ – тоест не могат да се чуят или видят, защото инструментът или материалът активно ги анулира. Тъй като кларинетът има права, цилиндрична форма, той потиска всички четни хармоници (2fs, 4fs, 6fs и т.н.) и произвежда само нечетни (3fs, 5fs, 7fs и т.н.). За разлика от него саксофонът има конична и извита форма, която позволява всички хармонии и води до по-богат и гладък звук. Донякъде по подобен начин,
когато специфичен вид светлина (кръгова поляризация) блести върху метални наночастици, разпръснати в течност, нечетните хармоници на светлината не могат да се разпространяват по посоката на движението на светлината и съответните цветове са забранени.

Международен екип от учени, ръководен от изследователи от Катедрата по физика на Университета в Бат, са намерили начин да разкрият забранените цветове – това е откритие на нов физически ефект. За да постигнат този резултат, те „извиват“ експерименталното си оборудване.
Проф. Венцислав Вълев, който ръководи изследването, споделя: „Идеята, че усукването на наночастици или молекули може да бъде разкрито дори чрез хармоници на светлината, е формулирана за първи път преди повече от 42 години от младия докторант Дейвид Андрюс. Дейвид смяташе, че теорията му е твърде сложна, за да може някога да бъде потвърдена експериментално, но преди две години ние я демонстрирахме като явление. Сега открихме, че усукването на наночастиците може да се наблюдава и в нечетните хармоници на светлината. Забележително е, че съответната теория е предоставена от самия Дейвид Андрюс, днес утвърден професор.
Като музикална аналогия, досега учените, които изучават усукани молекули (ДНК, аминокиселини, протеини, захари и т.н.) и наночастици във вода – елемента на живота, са ги осветявали с определена честота и са наблюдавали същата честота или нейния шум (нехармонични частични обертонове). Нашето откритие позволява да се изучават хармоничните сигнали на тези усукани молекули. Така че можем да оценим техния „тембър“ за първи път.“
От практическа гледна точка, резултатите предлагат ясен, лесен за употреба експериментален метод за постигане на безпрецедентно разбиране за взаимодействията между светлината и „усукани“ материали. Такива взаимодействия са в основата на нововъзникващите нанотехнологии в комуникациите, нанороботиката и свръхтънките оптични компоненти. Например „усукването“ на наночастиците може да определи стойността на информационните битове (за ляво или дясно усукване). То присъства и във витлата за нанороботи и може да повлияе на посоката на разпространение на лазерен лъч.
„Освен това нашият метод е приложим в малки обеми осветление, подходящи за анализ на естествени химически продукти,
които са обещаващи за нови фармацевтични продукти, но където наличният материал често е оскъден“, посочва Вълев.
Докторантът Лукаш Охнутек, който участва в изследването, коментира: „Бяхме много близо да пропуснем това откритие. Първоначалното ни оборудване не беше „настроено“ добре и затова не виждахме нищо на третата хармоника. Започнах да губя надежда, но имахме среща, идентифицирахме потенциалните проблеми и ги изследвахме систематично, докато открием проблема. Прекрасно е да се изпита научният метод в действие, особено когато той води до научно откритие!“.
Професор Андрюс добавя: „Професор Вълев доведе международния екип до истинско откритие в приложната фотоника. Когато той ме покани да участвам, това ме върна към теоретичната работа от докторантурата ми. Беше невероятно да се види, че тя се осъществи толкова години по-късно.“
Изследването е публикувано в списанието Laser & Photonic Reviews. То е финансирано от Кралското общество, Съвета за научни и технологични инсталации (STFC) и Съвета за инженерни и физически науки (EPSRC).

*Текстът е предоставен на „Аз-буки“ от посолството на Обединеното кралство в София

Университетът в Бат

Университетът в Бат е един от водещите университети в Обединеното кралство както по отношение на научните изследвания, така и с репутацията за отлични постижения в преподаването, обучението и перспективите за завършване.
Университетът е класиран като Златен в рамката за преподавателски постижения (TEF) – правителствената оценка на качеството на преподаване в университетите, което означава, че преподаването му е с най-високо качество във Великобритания.
В Рамката за върхови постижения в областта на научните изследвания (REF) за 2014 г. 87 % от изследванията в Университета са определени като „водещи в света“ или „отлични в международен план“.
Добре утвърден като подхранваща среда за предприемчиви умове, Бат се класира високо във всички таблици на националната лига. Той е класиран на 6-о място в Обединеното кралство от The Guardian University Guide 2021, на 9-о място в The Times & Sunday Times Good University Guide 2021 и на 10-о място в Пълното университетско ръководство 2021.

Кой е Венцислав Вълев

Венцислав Вълев е научен сътрудник на Кралското общество и професор по физика в Катедрата по физика на Университета в Бат, където е и директор на научните изследвания. Завършва Университета в Кардиф (Великобритания). След това е назначен в Университета Radboud в Неймеген (Нидерландия), където защитава докторска дисертация за нелинейните оптични свойства на металните тънки филми.
Изследва взаимодействието между мощна лазерна светлина и наноструктурирани материали. През януари 2019 г. неговият екип демонстрира нов физически ефект, който убягва на учените в продължение на 40 години.
Основният опит на Вълев е в провеждането на лазерни експерименти за изучаване на нови материали, като плазмонични наноструктури, метаматериали, 2D материали и квантови оптични материали. Екипът му търси нови и полезни пресечни точки между класическия електромагнетизъм и квантовата механика.

Свързани статии:

Нобеловата седмица Земята потъмнява заради изменението на климата Няма вечни съюзи Горска разходка в центъра на Русе