Twisted Edison: Jasne, eliptycznie spolaryzowane światło żarówki

Naukowcy z Uniwersytetu Michigan wykazali, iż jasne, skręcone światło można wytworzyć przy użyciu technologii podobnej do żarówki Edisona. Odkrycie dodaje niuansów do podstawowej fizyki, oferując jednocześnie nowe możliwości dla zrobotyzowanych systemów wizyjnych i innych zastosowań światła śledzącego helisę w przestrzeni.

„Trudno wygenerować wystarczającą jasność, wytwarzając skręcone światło tradycyjnymi metodami, takimi jak luminescencja elektronowa lub fotonowa” – powiedział Jun Lu, adiunkt w dziedzinie inżynierii chemicznej na UM i pierwszy autor badania zamieszczonego na okładce magazynu Science w tym tygodniu.

„Stopniowo zauważyliśmy, iż 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 – jest to idealizowane 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 choćby obiekty o temperaturze pokojowej stale emitują i odbierają fotony ciała doskonale czarnego, przez co są również słabo widoczne.

Zwykle nie zwraca się zbytniej uwagi na kształt obiektu emitującego promieniowanie – w większości zastosowań (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 adekwatność: ich polaryzację.

Zwykle fotony pochodzące ze źródła ciała doskonale czarnego są losowo spolaryzowane – ich fale mogą oscylować wzdłuż dowolnej osi. Nowe badanie ujawniło, iż gdyby emiter był skręcony w mikro lub nanoskali, a długość każdego skrętu była podobna 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 adekwatności elektronicznych materiału – w tym przypadku nanowęgla lub metalu .

Światło skręcone jest również nazywane „chiralnym”, ponieważ obroty w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara 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.

„Postęp w fizyce promieniowania ciała czarnego przez chiralne nanostruktury ma najważniejsze znaczenie dla tego badania. Takie emitery są wszędzie wokół nas” – powiedział Nicholas Kotov, wybitny profesor nauk chemicznych i inżynierii Irvinga Langmuira, dyrektor Centrum Cząstek Złożonych i Układów Cząstek NSF (COMPASS) i współautor 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”.

Chociaż jasność jest główną zaletą tej metody wytwarzania skręconego światła – choćby 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.

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 UM. Lu jest nowym adiunktem chemii i fizyki na Uniwersytecie Narodowym w Singapurze.

Urządzenie zostało zbudowane w laboratorium COMPASS zlokalizowanym w kompleksie badawczym North Campus UM i badane w Michigan Center for Materials Characterization.