Raziskovalne novice

MERITVE OPTIČNIH SIL V VODI OVRGLE VEČINO DOSEDANJIH TEORIJ INTERAKCIJE SVETLOBA-SNOV

Viš. znan. sod. dr. Tomaž Požar, vir: osebni arhiv

Datum objave: 13.07.2022

Kategorija: Naš prispevek k ciljem trajnostnega razvoja OZN

Cilji trajnostnega razvoja: 9 Industrija, inovacije in infrastruktura (kazalniki)

Raziskovalec Fakultete za strojništvo Univerze v Ljubljani viš. znan. sod. dr. Tomaž Požar je v sodelovanju z znanstveniki iz tujine prvič zaznal izsev elastičnih valov, ki jih povzroči elektrostrikcija med preletom laserskega bliska skozi vodo. Elektrostrikcija je pojav, pri katerem se snov ob prisotnosti svetlobe zgosti. Z meritvijo so ovrgli večino teorij, ki opisujejo osnovno interakcijo med svetlobo in snovjo. Čeprav gre za temeljno raziskavo na področju fotonike[1], je možno izsledke takoj uporabiti na področju optične manipulacije prožnih snovi. Primer: ko uporabljamo lasersko pinceto v biologiji in medicini za manipulacijo posameznih celic, je pomembno, da poznamo pravilno prostorsko porazdelitev sile, ki deluje na celice, saj imajo močne lokalne optične sile nanje pomembne optomehanske učinke. Ker je voda glavna sestavina organske mehke snovi, igra elektrostrikcija v tem primeru pomembno vlogo. Druga neposredna aplikacija rezultatov teh raziskav omogoča zelo natančno optoakustično določanje absorpcijskega koeficienta svetlobe v tekočinah z majhnimi izgubami.

Grafika_Požar

Slika: Umetniška ilustracija izseva elektrostrikcijskih elastičnih valov v vodi omejeni s steklenima ploščama. Merilni žarek, ki zaznava učinke, je prikazan z rdečo. [oblikovanje: Mikko Partanen, Aalto University | osnovano na računalniškem modelu eksperimenta: Nelson G. C. Astrath, Universidade Estadual de Maringá]

Gre za preboj mednarodne skupina raziskovalcev iz Brazilije, Slovenije, Finske, Norveške, Švice in ZDA, ki jo koordinira Nelson G. C. Astrath, profesor na brazilski univerzi Universidade Estadual de Maringá, in v kateri že dlje časa sodeluje tudi viš. znan. sod. dr. Tomaž Požar s Fakultete za strojništvo Univerze v Ljubljani. Raziskavo so finančno podprli: slovenska Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije (ARRS, program P2-0231), Evropska komisija (MSCA) ter tuji financerji CNPq, CAPES, Fundação Araucária, FINEP in COPEL. Znanstveni članek o odkritju je bil objavljen v ugledni znanstveni reviji Light: Science & Applications - Nature (IF: 17,782).

Ekipa je z metodo fotoinduciranega lečenja (opazovanjem odklona dodatne, precej šibkejše laserske svetlobe) izmerila elastične valove, ki jih povzroči pojav optične elektrostrikcije. Ko so pojav skušali opisati z doslej znanimi različicami (formalizmi) klasične teorije sklopitve elektromagnetnega polja z dielektrično snovjo, so ugotovili, da večina teh formalizmov amplitude elastičnih valov, povzročenih z elektrostrikcijo, ne napove ustrezno. Tako so izločili teoretične različice, ki so jih ločeno predlagali Abraham, Minkowski, Chu in Ampère. Le teorija, ki sta jo predlagala Einstein in Laub, se z novimi meritvami ujema. "Vendar za enačbo Einstein-Lauba že vemo, da ni v redu, saj namreč nima člena, ki bi opisoval magnetostrikcijo in nemogoče je, da jo bo potem pravilno opisal," razlaga Požar. Zato so avtorji zgradili povsem novo mikroskopsko teorijo sklopitve elektromagnetnega polja s snovjo, ki hkrati pravilno opiše optično elektrostrikcijo v vodi brez pomanjkljivosti formalizma Einsteina in Lauba.

Z laserskim bliskom so presvetlili tanko plast zelo čiste vode, ki je bila na obeh straneh omejena s steklenima ploščama, in opazovali, kako se vodi v hipni prisotnosti svetlobe spremenijo optične lastnosti zgolj zaradi elektrostrikcije. Ko laserska svetloba potuje skozi vodno plast, je mogoče zaznati pojav optične zgostitve snovi prečno na smer širjenja svetlobe. Ker pride z uporabo nanosekundnega laserskega bliska do zgostitve v enako kratkem času, se pri tem izsevajo elastični valovi—potujoče akustične tlačne motnje. Meritev je bila posebna v tem, da se so uspeli izogniti ostalim pojavom, ki praviloma dominirajo pri interakcij svetlobe s snovjo. 

Zahtevana stran/sekcija vsebuje elemente, ki za delovanje potrebujejo uporabnikovo soglasje za shranjevanje piškotkov (vdelane youtube, facebook video vsebine...).

Animacija: Časovni razvoj porazdelitve tlaka v vodi in steklenih ploščah po bliskovni vzbuditvi, prikazani z začetnim bliskom zelene svetlobe. [oblikovanje: Mikko Partanen, Aalto University | osnovano na računalniškem modelu eksperimenta: Nelson G. C. Astrath, Universidade Estadual de Maringá]

 

[1] Fotonika je veda o svetlobi. Obsega izredno široka področja nastanka svetlobe v svetlobnih virih, predvsem laserjih, razširjanja in modulacije svetlobe, njenega zaznavanja in uporabe v različne namene. Vir: Martin Čopič in Mojca Vilfan, Fotonika, Založba UL FMF (2020). 

nazaj na seznam