Тема:

Эксперименты со светом 5 месяцев назад

Физики МГУ заставили наночастицы рассеивать свет вбок

Необычное достижение стало одним из важных шагов к получению "немыслимых" практических результатов.

Необычное достижение стало одним из важных шагов к получению "немыслимых" практических результатов.
Фото Argonne National Laboratory/Flickr.

(a) Модель частицы, на которую падает линейно поляризованная плоская волна. (b) Эксперимент с керамической сфероидной частицей в безэховой камере.

(a) Модель частицы, на которую падает линейно поляризованная плоская волна. (b) Эксперимент с керамической сфероидной частицей в безэховой камере.
Иллюстрация Bukharin et al. / Scientific Reports, 2022.

Необычное достижение стало одним из важных шагов к получению "немыслимых" практических результатов.
(a) Модель частицы, на которую падает линейно поляризованная плоская волна. (b) Эксперимент с керамической сфероидной частицей в безэховой камере.
Нынешнее достижение открывает целый ряд поражающих воображение перспектив как для науки, так и для обычных людей.

Физики МГУ совместно с коллегами из российских университетов и научных институтов, а также Университета Восточной Финляндии впервые заставили наночастицы из особого материала рассеивать луч света туда, куда ему не положено было "идти".

В данном случае игра со светом – это не просто научный фокус. Таким образом учёные хотят ускорить создание наноструктур, которые позволят управлять движением света. Это откроет возможноcти для создания нанолазеров, наноантенн и сверхчувствительных датчиков, а также, к примеру, детекторов пылевых зёрен в космосе. Но и это ещё не всё. Дочитайте наш материал до конца и узнаете, какие практические перспективы открывает достижение учёных даже для обычных школьников.

В пресс-релизе МГУ "объясняется", что физики в ходе данной работы "определили условия, в которых шарообразные частицы начинают рассеивать свет преимущественно в двух боковых направлениях, в результате чего диаграмма рассеяния по форме становится похожей на гантель".

Управление движением света

Одно из самых необычных свойств наночастиц заключается в том, что они рассеивают свет и взаимодействуют с его волнами совершенно не так, как это делают крупные объекты. Микромир вообще очень интересен тем, что происходящее в нём не укладывается в наши привычные представления о физических законах.

Интересно, что эти необычные эффекты мы наблюдаем буквально каждый день: синий цвет неба и красный свет закатов определяется именно рассеянием солнечного света на мельчайших частицах в атмосфере. Некоторые из этих феноменов объясняются закономерностью, которую открыл ещё в середине прошлого века американский физик Милтон Керкер.

Он обнаружил, что взаимодействия волн света и частиц аэрозолей в некоторых случаях приводят к тому, что свет рассеивается не случайным образом, а движется исключительно вперёд по отношению к его источнику (эффект Керкера). Теперь же учёные впервые показали, что шарообразные наночастицы позволяют перенаправить микроволновое излучение строго в сторону, а не вперёд или назад.

Этот "поперечный эффект Керкера" позволяет управлять движением света при помощи наноструктур.

Российский вклад

Группа физиков работала под руководством профессора МГУ Бориса Лукьянчука.

Профессор Лукьянчук и его коллеги развили идеи коллег и создали диэлектрические наночастицы, которые рассеивают электромагнитное излучение исключительно в стороны. Это стало возможным благодаря использованию керамического материала на основе титаната стронция. Последний обладает исключительно высокой диэлектрической проницаемостью и большим показателем преломления.

Теоретические расчеты и последовавшие за этим эксперименты показали, что частицы из такого материала, похожие по форме на вытянутые зерна пшеницы, рассеивают микроволновое излучение исключительно в стороны.

(a) Модель частицы, на которую падает линейно поляризованная плоская волна. (b) Эксперимент с керамической сфероидной частицей в безэховой камере.

Аналогичным образом, как отмечают учёные, должны вести себя их аналоги из других материалов, которым нужно будет перенаправлять видимый свет (а это другие длины волн).

Создание наночастиц из таких материалов, по словам физиков, значительно ускорит разработку новых нанолазеров и сверхчувствительных датчиков.

Практическое применение

Хорошо, но что это даёт обычному человеку? Например, учёные получат возможность создавать более полноценные наномашины. Сейчас "детали" для них не обладают всем спектром необходимых качеств. Внедрение таких наномашин только в медицине произведёт настоящую революцию.

Кроме того, исследование открывает новые возможности для материаловедов.

"Если мы научимся управлять рассеянием света при помощи микроскопических частиц и наночастиц, то это откроет дорогу для создания невидимых и суперпрозрачных оптических материалов", – рассказывает профессор Лукьянчук.

Это приблизит создание плаща-невидимки или быстрого фотонного компьютера, в котором и за вычисления, и за хранение информации (память) будет отвечать только свет.

Профессор также пояснил, что данное достижение открывает перед исследователями совершенно потрясающие возможности. Например, мы сможем делать линзы, позволяющие увидеть вирусы в школьном микроскопе (и, может быть, тогда ни у кого не останется сомнений в реальности коронавирусных частиц). Кроме того, физики получат возможность генерировать магнитные поля, сопоставимые с полями в нейтронных звездах.

Последние являются ультракомпактными объектами диаметром всего несколько километров, но обладающими при этом массой, сопоставимой с массой Солнца. Их магнитные поля демонстрируют рекордные параметры. "Нейтронная звезда в лаборатории" позволит лучше изучить эти загадочные объекты.

Статья авторов разработки вышла в уважаемым международным сообществом журнале Scienitific Reports.

Ранее мы рассказывали о том, как из наночастиц, управляемых ДНК, учёные создали материал, меняющий структуру и цвет, и как российские физики повысили энергию света, отобрав у него фотоны.

Больше важных и интересных новостей из мира науки вы найдёте в разделе "Наука" на медиаплатформе "Смотрим".

Подписывайтесь на наши страницы в соцсетях:
"Смотрим"ВКонтакте, Одноклассники, Яндекс.Дзен и Telegram
Вести.RuВКонтакте, Одноклассники, Яндекс.Дзен и Telegram.