نور خودش را در انحناهای دایره‌ای خم می‌کند

[azarafrooz 14221]

پژوهشگران موفق شده‌اند در آزمایش‌هایی باریکه‌ی نور را خم کنند. این نتیجه کاربردهای زیادی از جمله در پزشکی دارد.

 

۵ سال پیش فیزک‌دانان نشان دادند انتشار انواع خاصی از باریکه لیزری می‌توانند در فضای آزاد مسیر‌های خمیده را دنبال کنند. این چنین رفتار غیر منتظره‌ای می‌تواند کاربرد‌های زیادی داشته باشد؛ از کاربرد برای نانو ذرات تا نابودی تومورهایی که دسترسی به آن‌ها دشوار است. اما قبل از آنکه این پدیده عجیب بتواند مفید واقع شود محققان با چالشی روبرو شدند که چطور نور را در زوایای به اندازه کافی بزرگ خم کنند تا بتواند مفید باشد. اکنون دو گروه مستقل این مشکل را حل کرده‌اند. در راستای همین پژوهش آن‌ها ادعا می‌کنند که خمش صوت و دیگر انواع امواج می‌تواند در آینده ممکن باشد.

 

ایده خمش نور از مکانیک کوانتومی الهام گرفته شد. درک این ایده در سال ۱۹۷۹ توسط میشاییل بری و ناندور بالاز روشن شد. آن‌ها نشان دادند که معادله شرودینگر می‌تواند بسته موج‌های «ایری۱» ذرات (که بدون یک نیروی خارجی شتاب می‌گیرد) را تأیید ‌کند. سپس در سال ۲۰۰۷ دیمتریوس کریستودولیز و همکارانش در دانشگاه Central Florida معادل اپتیکی یک بسته موج ایری را تولید کردند. این کار شدنی است چرا که معادله توصیف کننده باریکه‌های محور-موازی (باریکه‌هایی که در آن پرتو‌های تشکیل دهنده باریکه همگی تقریباً موازی با جهت انتشار باریکه منتشر می‌شوند) از نظر ساختار ریاضی با معادله شرودینگر یکسان است و تنها چندین پارامتر از قبیل جرم و ضریب شکست عوض شده‌اند.

 

گروه کریستودولیز باریکه لیزری با شکلی خاص تولید کردند که می‌توانست از پهلو خم شود (خودش شتابیده شود). این محققان کل باریکه لیزری را خم نکردند، بلکه ناحیه‌های با شدت بالا را خم کردند. برای این کار آن‌ها یک باریکه لیزری با پهنای معمول در حد چند سانتی‌متر را از یک وسیله تحت عنوان «مدول‌کنندهٔ فضایی نور» عبور دادند به طوری که فاز باریکه در هزاران نقطه در عرض پهنای باریکه را تنظیم کرد. بر خلاف تأثیر یک لنز که تمام پرتو‌های تشکیل دهنده باریکه را در یک نقطه کانونی می‌کند این مدول کننده، فاز نسبی پرتوهای باریکه را چنان تغییر داد که تداخلشان یک ناحیه با شدت بیشینه ایجاد کرد، به نحوی که از پهلو به شکل یک سهمی نرم در سرتاسر باریکه خم شده بود و در یک سمت آن نواحی کم‌سوتر بودند.

خمش نور به شکل یک سهمی: تئوری و آزمایش

 

 

ویژگی‌های جذاب

علاوه بر این خمش، الگوی شدت باریکه نیز دو ویژگی جالب دارد. یکی اینکه در هنگام انتشار باریکه پراشی وجود ندارد، به این معنی با انتشار باریکه پهنای هر ناحیه شدت به طور چشم‌گیری زیاد نمی‌شود. این مطلب برخلاف انتشار یک باریکه معمولی می‌باشد؛ چرا که در باریکه‌های معمولی حتی اگر پرتو‌های باریکه به شکل خوبی موازی شده باشند با انتشار باریکه بازهم پهن‌شدگی داریم. ویژگی عجیب دوم، خاصیت خود-ترمیمی این باریکه است. به این معنی که اگر بخشی از باریکه توسط اشیاء کدر مسدود شود آنگاه هر اختلالی به الگوی شدت باریکه می‌تواند به آرامی ترمیم شود همچنان که باریکه به سمت جلو منتشر می‌شود.

 

یکی از محدودیت‌های کار این گروه این است که باریکه‌های ایری می‌توانند در زوایایی کوچک در حدود ۱۵ درجه خم ‌شوند. این به این معنی است که آزمایش این گروه انحناهای تیز مورد نیاز برای کار کردن در مقیاس‌های نانومتر و میکرومتر را نمی‌تواند فراهم کند.

 

اما در آوریل امسال موردیچای سیگِف و همکارانش مجموعه‌ای از جواب‌های عمومی معادله‌ی ماکسول را به‌دست آوردند. طبق این جواب‌ها باریکه‌ای بدون پراشیدگی و غیرمحور-موازی بایستی وجود داشته باشد که می‌بایست در یک مسیر دایره‌ای شتاب بگیرد. یک ماه بعد دو گروه چنین باریکه‌هایی (باریکه‌هایی با قابلیت خمش ۶۰ درجه) را در آزمایشگاه تولید کردند. یکی از دو تیم به رهبری ژیانگ ژانگ از دانشگاه California بود و رهبری گروه دیگر را جان دادلی از دانشگاه Franche-Comte برعهده داشت.

 

نه تنها حرکت‌های دایر‌ه‌ای

اکنون دو گروه مستقل از هم به طور آزمایشگاهی و از روش نظری نشان داده‌اند که شتاب در مسیرهای غیر از دایره هم ممکن است. یک گروه به رهبری ژانگ از دانشگاه Berkeley می‌باشد به طوری که حرکت‌های بیضوی و سهموی را هم به روش تحلیلی و هم به روش آنالیز عددی دو بعدی مطالعه کردند. گروه دیگر به رهبری ریستودولیز حرکت بیضوی را با استفاده از آنالیز برداری ۳ بعدی (به روش عددی) مطالعه کردند. هر دو گروه از لیزرهای موج-پیوسته استفاده کردند (طول موج ۵۳۲ نانومتر برای گروه ژانگ و طول موج ۶۳۳ نانومتر برای گروه کریستودولیز) به طوری که نور لیزرها را به درون مدول کننده فضایی نوری تاباندند. تغییر فاز مورد نیاز این فرآیند با استفاده از برنامه‌های کامپیوتری خاص محاسبه می‌شود. در هر دو مورد گروه‌ها توانستند نور را در زاویه‌ای در حدود ۶۰ درجه خم کنند.

 

طبق گفته پنگ ژانگ عضو گروه Berkeley این مطالعات جدید می‌تواند کاربردهای زیادی داشته باشد. او می‌گوید که از این تکنولوژی می‌توان در پزشکی استفاده کرد به طوری که به پزشکان این اجازه را می‌دهد تا تومورهای پشت یک اندام را عکس‌برداری کنند و یا حتی از بین ببرند بدون آنکه به اندام آسیب برسد. همچنین خاصیت خود-ترمیمی باریکه می‌تواند بسیار مفید باشد، چرا که اجازه انتقال انرژی را به بافت های درونی می‌دهد، حتی درصورت وجود یک مانع بر سر راه آن.

 

علاوه بر این ژیانگ ژانگ می‌گوید که این رهیافت می‌تواند به هر سیستم موجی از قبیل موج‌های ماده، موج‌های الکترونی و یا حتی به موج‌های صوتی و غیره تعمیم داده شود. در حقیقت او خاطر نشان می‌کند گروهش به دنبال خمش صوت است. او باور دارد که با دستکاری فاز موج صوتی به کمک دستگاهی مشابه مدول کننده فضایی نور می‌توان انرژی صوت را در لبه‌ها جابه‌جا کرد.

 

جرومه کاسپاریان از دانشگاه Genevaدر سوئیس که در این پژوهش سهیم نبوده است (اما به این تحقیق علاقه‌ دارد) می‌گوید که این دو گروه یک چارچوب کلی درست کرده‌اند که خمش نور در زوایای بزرگ را شرح داده و بنابراین پیش‌بینی می‌کند. اما در مقابل میشائیل بری از دانشگاه Bristolبا این موضوع موافق نیست. او اعتقاد دارد که نویسندگان این موضوع را روشن بیان نمی‌کنند که در آزمایش مربوطه، آن‌ها باریکه‌ی نور را خم نمی‌کنند. جزئیات این آزمایش زیرکانه است و از طرفی متخصصان بدان علاقه دارند. با این حال او می‌گوید: با این که مقالات از نظر تکنیک به‌کار رفته جالب است اما تعجب‌ برانگیز نمی‌باشد، چرا که دارای ایده‌ی بنیادی جدیدی نیست.

 

۱- Airy wavepacket، نوعی بسته موج است که برخلاف بسته موج گاوسی معروف، بدون پراکندگی آزادانه انتشار می‌یابد.