Jak zatočit se světlem  
Časopis Science zveřejnil článek s popisem zajímavého experimentu, který je hezkým příkladem toho, jak pomocí optických vlastností materiálu lze monochromatické světlo laseru zpomalit na úroveň rychlosti zvuku a i na krátkou vzdálenost několika centimetrů ho pootočit až o 5 obloukových stupňů.

Rychlost světla ve vakuu je nepřekonatelná a pro tělesa s klidovou hmotností i nedosažitelná. Ale změňme prostředí a světlo se v opticky průhledné kapalině, nebo tuhé látce, například skle částečně zpomalí. Nakolik, to určuje index lomu příslušného materiálu, který je podle definice prostým podílem rychlosti světla ve vakuu a fázové rychlosti v dané látce. Vakuum má index lomu = 1 (c/c) a vzduch jenom o 277 miliontin vyšší hodnotu a tedy světlo zpomaluje zcela nepatrně. Ve vodě se ale paprsky šíří o třetinu a v diamantu téměř dva a půl krát pomaleji než ve vakuu.


Prázdnem se moc manipulovat nedá, ale vzduch proudí, voda a jiné kapaliny tečou a pevnými tělesy můžeme hýbat. Již v roce 1818 francouzský fyzik a technik Augustin-Jean Fresnel, zanícený teoretik i experimentátor, kterého za jeho krátkého 39letého života fascinovaly vlastnosti světla, předpověděl, že pohybující se optické médium ovlivní dráhu prolétajícího paprsku a malinko ho sebou „potáhne“. Přešlo 40 let, než v roce 1859 tuto předpověď experimentálně prokázal další francouzský fyzik Hippolyte Fizeau (skica jeho experimemntálního zařízení je v závěru článku). Pomocí zahnuté skleněné trubice, v níž proudila voda prokázal, že světlo procházející ve směru toku dorazí do interferometru o nepatrný zlomek sekundy dříve, než paprsek letící sice po té samé dráze, ale proti proudu. Tento nepatrný časový rozdíl ale stačil na to, aby způsobil fázový posuv mezi oběma paprsky, jejichž sčítáním se vytvořil interferenční obraz prokazující platnost Fresnelova předpokladu pro pohyb média podél směru paprsku. Že i materiál pohybující se vzhledem k světlu napříč ho „unáší“, to se američanu R. V. Jonesovi podařilo dokázat až v roce 1927. Použil na to skleněný rotující disk.


Částečné zpomalení světla i jeho posuv ve směru pohybu způsobuje absorpce energie procházejících fotonů atomy ve vnitřní struktuře materiálu. To vyvolá vibrace elektronů, které sice nabytou energii opětovně vyzáří v podobě fotonů s těmi jistými parametry, jaké měly ty absorbované, ale než se tak stane, uběhne nepatrný okamžik. Je tím větší, čím je frekvence procházejícího světla bližší rezonanční frekvenci vibrujících elektronů. Znovu vyzářené fotony narážejí do dalších atomů, které je absorbují, proces se opakuje a způsobuje, že se světlo v daném prostředí šíří pomaleji než ve vakuu a míru zpomalení charakterizuje zmíněný index lomu. Když se materiál vůči vnějšímu pozorovateli pohybuje, kratičká časová prodleva mezi absorpcí a reemisí fotonu má za následek, že dojde i k jeho nepatrnému posunu ve směru pohybu. Světlo je tedy nepatrně unášeno.

Amplitudová obálka

 

V posledním čísle Science zveřejňuje čtyřčlenný skotsko-kanadský tým, vedený Sonjou Franke-Arnoldovou z University v Glasgově popis a výsledky experimentu, který je elegantní demonstrací stáčení světelného obrazu rotujícím tělesem. Pomocí 10 cm dlouhého válečku z rubínu, jenž je oxidem hlinitým s příměsí chromu a má z dostupných pevných materiálů opticky průsvitných i při dostatečné tloušťce relativně vysoký index lomu (n = 1,76), vědci dokázali efekt unášení světla pohybujícím se médiem zvětšit natolik, aby byl pozorovatelný i volným okem. Jenže to se dá dosáhnout jenom za podmínky, že materiálem procházející světlo zpomalí přibližně milion krát. Na to je samotný index lomu samozřejmě krátký, vlastně příliš malý. To, oč se při „pomalém světle“ jedná, je takzvaná skupinová (grupová) rychlost s níž materiálem postupuje amplitudový „overal“, tedy vlnová obálka modulované vlny. Jde o hrátky s interferencemi, která výsledný složený signál v pravidelných intervalech potlačí nebo zvýrazní a ten se pak šíří jako vlnové balíčky procházející médiem výrazně nižší rychlostí. Pro zájemce o bližší informace dva odbornější texty zde a zejména zde.

 

Na základě analýzy rozptylu různých spektrálních složek viditelného světla v rotujícím rubínu vědci pro manipulaci vybrali zelenou barvu s vlnovou délkou 532 nm. Jeho laserovému paprsku pak měnili amplitudu (intenzitu) předem stanovenou frekvencí, tak, aby v důsledku interference záření emitovaných oscilacemi atomů uvnitř materiálu se postup výsledné vlnové obálky snížil na hodnoty v řádu stovky metrů za sekundu.


Protože je unášení světla závislé od rychlosti pohybu optického prostředí jímž se šíří, v rychle se otáčejícímm válečku bude jinak strháván foton procházející v blízkosti středové rotační osy než ten, který prolétá v blízkosti okraje, kde je obvodová rychlost mnohem vyšší. O to více to platí pro zpomalenou skupinovou rychlost. Aby byl efekt stáčení světla rotujícím materiálem dobře pozorovatelný, musí být profil paprsku podélný, zasahující místa s různou obvodovou rychlostí. Skotové zkonstruovali zařízení (následující obrázek), v němž zelený paprsek z laseru procházel optickým systémem deformujícím jeho malý kruhový průřez na ovál s osami 0,9 a 2 mm. Interference v rotujícím rubínu tento tvar ještě více zúžila do podoby tenčího obdélníčku, který se při maximálních otáčkách 30 Hz (1 800 ot./min) pootočil až o 5 obloukových stupňů od původní kolmé orientace oválného profilu vstupujícího světla.
Na následujícím obrázku jsou v černém poli výsledné snímky ze CCD kamery pořízené při 30Hz rotaci doprava i doleva. Změnou otáček lze samozřejmě tento sklon ovlivnit .


 

 

Kratičké video, které je součásti doplňkových informací v časopisu Science.


Přibližme si ještě ten první pokus, kterým v roce 1859 Armand Hippolyte Louis Fizeau (1819 – 1896) prokázal podélné „unášení“ světla tekoucí vodou. Světlo ze zdroje se na polopropustném zrcadle rozdělilo na dva navzájem kolmé paprsky, které pak soustava zrcadel odkláněla do skleněné trubice tvaru písmena U, v níž proudila voda. Když si pozorněji prohlédnete následující schéma, uvidíte, že oba paprsky procházejí stejnou trasou, ale vzájemně v protisměru, přičemž jeden se prodírá proti toku vody, druhý se s ním „veze“. Interferenční obraz v detektoru pak sloužil jako důkaz, že jeden paprsek se vůči tomu druhému fázově posunul, tedy že prošel stejnou dráhu, ale za jiný čas a tedy i jinou rychlostí (mírně modifikovanou verzi zařízení uvádí Wikipedia, která nabízí i schéma Fizeau – Foucaultova přístroje pro měření rychlosti světla.

 

 

 

Zdroj: Sonja Franke-Arnold, Graham Gibson, Robert W. Boyd, Miles J. Padgett: Rotary Photon Drag Enhanced by a Slow-Light Medium, Science 2011, doplňkové informace

Datum: 18.07.2011 20:40
Tisk článku

Související články:

„Kvantová simulace“ předvedla vesmír v první biliontině sekundy     Autor: Stanislav Mihulka (28.03.2021)
Dřevěné nanogenerátory vyrobí elektřinu při chůzi po podlaze     Autor: Stanislav Mihulka (21.03.2021)
Nový materiál zlomil rekord v přeměně tepla na elektřinu     Autor: Stanislav Mihulka (16.11.2019)
Fyzici stvořili novou formu světla     Autor: Stanislav Mihulka (18.02.2018)
Nové zařízení vytváří kvazičástice se „zápornou hmotností“     Autor: Stanislav Mihulka (15.01.2018)



Diskuze:


Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace