Naukowcy z Uniwersytetu Michigan odkryli sposób na wytwarzanie jasnego, skręconego światła przy użyciu technologii podobnej do żarówki Edisona.
Ten przełom stanowi powrót do zasad promieniowania ciała doskonale czarnego, oferując potencjał w zakresie zaawansowanych zrobotyzowanych systemów wizyjnych zdolnych do rozróżniania subtelnych zmian właściwości światła, na przykład emitowanych przez żywe organizmy lub obiekty.
Jasne, skręcone światło: zaskakująca innowacja
Naukowcy z Uniwersytetu Michigan wykazali, że jasne, skręcone światło można wygenerować przy użyciu technologii przypominającej kultową żarówkę Edisona. Odkrycie to nie tylko pogłębia naszą wiedzę na temat podstawowej fizyki, ale także otwiera nowe możliwości dla robotycznych systemów wizyjnych i innych zastosowań obejmujących światło wirujące w przestrzeni po spirali.
„Trudno wygenerować wystarczającą jasność, wytwarzając skręcone światło tradycyjnymi metodami, takimi jak elektrony lub foton luminescencji” – wyjaśnił Jun Lu, adiunkt w dziedzinie inżynierii chemicznej na UM i pierwszy autor badania, którego zdjęcie znajduje się na okładce magazynu Nauka w tym tygodniu.
Powrót do starego pomysłu na nową fizykę
„Stopniowo zauważyliśmy, że tak naprawdę mamy bardzo stary sposób generowania tych fotonów – nie polegający na wzbudzeniach fotonów i elektronów, ale na wzór żarówki opracowanej przez Edisona”.
Każdy obiekt narażony na ciepło, włączając w to Ciebie, nieustannie wysyła fotony (cząsteczki światła) w widmie powiązanym z jego temperaturą. Kiedy obiekt ma tę samą temperaturę co jego otoczenie, pochłania również równoważną ilość fotonów — idealizuje się to jako „promieniowanie ciała doskonale czarnego”, ponieważ kolor czarny pochłania wszystkie częstotliwości fotonów.
Chociaż włókno żarówki wolframowej jest znacznie cieplejsze niż otoczenie, prawo definiujące promieniowanie ciała doskonale czarnego — prawo Plancka — zapewnia dobre przybliżenie widma wysyłanych przez nią fotonów. Wszystkie widoczne fotony wyglądają jak białe światło, ale kiedy przepuszczasz światło przez pryzmat, możesz zobaczyć w nim tęczę różnych fotonów.
To promieniowanie jest również powodem, dla którego obraz termowizyjny jest jasny, ale nawet obiekty o temperaturze pokojowej stale emitują i odbierają fotony ciała doskonale czarnego, przez co są również słabo widoczne.
Kształt i polaryzacja: nowa perspektywa
Zwykle nie zwraca się zbytniej uwagi na kształt obiektu emitującego promieniowanie — w większości przypadków (jak to często bywa w fizyce) obiekt można sobie wyobrazić jako kulę. Ale chociaż kształt nie wpływa na widmo długości fal różnych fotonów, może wpływać na inną właściwość: ich polaryzację.
Zwykle fotony pochodzące ze źródła ciała doskonale czarnego są losowo spolaryzowane — ich fale mogą oscylować wzdłuż dowolnej osi. Nowe badanie wykazało, że jeśli emiter został skręcony w mikro lub nanoskalaprzy długości każdego skrętu podobnej do długości fali emitowanego światła, promieniowanie ciała doskonale czarnego również byłoby skręcone. Siła skręcenia światła, czyli jego eliptycznej polaryzacji, zależała od dwóch głównych czynników: odległości fali fotonu od długości każdego skrętu oraz właściwości elektronicznych materiału – w tym przypadku nanowęgla lub metalu.
Światło chiralne i wizja robotyczna
Światło skręcone jest również nazywane „chiralnym”, ponieważ obroty w kierunku zgodnym i przeciwnym do ruchu wskazówek zegara są wzajemnymi odbiciami lustrzanymi. Badanie przeprowadzono, aby wykazać założenia bardziej stosowanego projektu, który zespół ze stanu Michigan chciałby realizować: wykorzystania chiralnego promieniowania ciała doskonale czarnego do identyfikacji obiektów. Wyobrażają sobie roboty i samochody autonomiczne, które widzą jak krewetki modliszkowe i rozróżniają fale świetlne o różnych kierunkach wirowania i stopniu skręcenia.
Zastosowania w świecie rzeczywistym dla skręconego światła
„Postęp w fizyce promieniowania ciała doskonale czarnego dzięki chiralnym nanostrukturom ma kluczowe znaczenie dla tego badania. Takie emitery są wszędzie wokół nas” – powiedział Nicholas Kotov, wybitny profesor nauk chemicznych i inżynierii Irvinga Langmuira, dyrektor Centrum Złożonych Cząstek i Układów Cząstek NSF (COMPASS) i korespondent autor badania.
„Na przykład te odkrycia mogą być ważne dla pojazdu autonomicznego, ponieważ pozwoli on odróżnić jelenia od człowieka, które emitują światło o podobnych długościach fal, ale różnej spirali, ponieważ futro jelenia ma inny skręt niż nasza tkanina”.
Jasność i przyszłe wyzwania
Chociaż jasność jest główną zaletą tej metody wytwarzania skręconego światła – nawet 100 razy jaśniejszego niż w przypadku innych metod – światło obejmuje szerokie spektrum zarówno długości fal, jak i skrętów. Zespół ma pomysły, jak rozwiązać ten problem, w tym zbadać możliwość zbudowania lasera opartego na skręconych strukturach emitujących światło.
Kotov chce także głębiej zbadać widmo podczerwieni. Szczytowa długość fali promieniowania ciała doskonale czarnego w temperaturze pokojowej wynosi około 10 000 nanometrów lub 0,01 milimetra.
„To obszar widma z dużą ilością szumu, ale możliwe jest zwiększenie kontrastu poprzez ich eliptyczną polaryzację” – powiedział Kotow.
Odniesienie: „Jasne, spolaryzowane kołowo promieniowanie ciała doskonale czarnego ze skręconych włókien nanowęglowych” autorstwa Jun Lu, Hong Ju Jung, Ji-Young Kim i Nicholasa A. Kotova, 19 grudnia 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.adq4068
Badanie zostało wsparte przez Narodową Fundację Nauki za pośrednictwem COMPASS oraz Biuro Badań Marynarki Wojennej.
Kotov jest także profesorem inżynierii Josepha B. i Florence V. Cejków, profesorem nauk i inżynierii makromolekularnej oraz członkiem Instytutu Biointerfejsów U-M. Lu jest nowym adiunktem chemii i fizyki na Uniwersytecie Narodowym w Singapurze.
Urządzenie zbudowano w Laboratorium COMPASS mieszczącym się na terenie Zespołu Badawczego Kampusu Północnego UM i badano na Uniwersytecie im Centrum Charakterystyki Materiałów stanu Michigan.
