Een team van onderzoekers van het Technion – Israel Institute of Technology heeft voor het eerst een vertakte lichtstroom waargenomen. De bevindingen zijn gepubliceerd in Natuur en staan ​​op de cover van de 2 juli, uitgave 2020.

De studie werd uitgevoerd door Ph.D. student Anatoly (Tolik) Patsyk, in samenwerking met Miguel A. Bandres, die een postdoctoraal onderzoeker was bij Technion toen het project begon en nu een assistent-professor is bij CREOL, College van Optica en Fotonica, Universiteit van Centraal-Florida. Het onderzoek werd geleid door Technion President Professor Uri Sivan en Distinguished Professor Mordechai (Moti) Segev van de Technion's Physics and Electrical Engineering Faculteiten, het Solid State Instituut, en het Russell Berrie Nanotechnology Institute.

Wanneer golven door landschappen reizen die verstoringen bevatten, ze verspreiden zich van nature, vaak alle kanten op. Verstrooiing van licht is een natuurlijk fenomeen, op veel plaatsen in de natuur te vinden. Bijvoorbeeld, verstrooiing van licht is de reden voor de blauwe kleur van de lucht. Zoals het blijkt, wanneer de lengte waarover verstoringen variëren veel groter is dan de golflengte, de golf verstrooit op een ongebruikelijke manier:het vormt kanalen (takken) met een verhoogde intensiteit die zich blijven delen, of vertakken, als de golf zich voortplant. Dit fenomeen staat bekend als vertakte stroming. Het werd voor het eerst waargenomen in 2001 met elektronen, en er werd gesuggereerd dat het alomtegenwoordig is en ook voor alle golven in de natuur voorkomt, bijvoorbeeld geluidsgolven en zelfs oceaangolven. Nutsvoorzieningen, Technion-onderzoekers brengen vertakte lichtstroom naar het domein van licht:ze hebben een experimentele waarneming gedaan van vertakte lichtstroom.

"We hadden altijd de bedoeling om iets nieuws te vinden, en we waren enthousiast om het te vinden. Het was niet wat we zochten, maar we bleven zoeken en we vonden iets veel beters, " zei Asst. Prof. Miguel Bandres. "We zijn bekend met het feit dat golven zich verspreiden wanneer ze zich voortplanten in een homogeen medium. Maar voor andere soorten media, golven kunnen zich op heel verschillende manieren gedragen. Als we een ongeordend medium hebben waar de variaties glad zijn, als een landschap van bergen en dalen, de golven zullen zich op een eigenaardige manier voortplanten. Ze zullen kanalen vormen die zich blijven delen terwijl de golf zich voortplant, vormen een prachtig patroon dat lijkt op de takken van een boom."

In hun onderzoek hebben het team koppelde een laserstraal aan een zeepmembraan, die willekeurige variaties in membraandikte bevat. Ze ontdekten dat wanneer licht zich voortplant in de zeepfilm, in plaats van verstrooid te zijn, het licht vormt langwerpige takken, het creëren van het fenomeen vertakte stroom voor licht.

"In de optica werken we meestal hard om het licht gefocust te houden en zich voort te planten als een gecollimeerde straal, maar hier is de verrassing dat de willekeurige structuur van de zeepfilm er natuurlijk voor zorgde dat het licht gefocust bleef. Het is weer een van de verrassingen van de natuur, ' zei Tolik Patsyk.

Het vermogen om vertakte stromingen op het gebied van optica te creëren, biedt nieuwe en opwindende mogelijkheden voor het onderzoeken en begrijpen van dit universele golffenomeen.

"Er is niets spannenders dan iets nieuws te ontdekken en dit is de eerste demonstratie van dit fenomeen met lichtgolven, " zei Technion-voorzitter prof. Uri Sivan, de Bertoldo Badler Academic Chairholder in de Faculteit der Natuurkunde. "Dit laat zien dat intrigerende verschijnselen ook in eenvoudige systemen kunnen worden waargenomen en dat je alleen opmerkzaam genoeg moet zijn om ze te ontdekken. Als zodanig, het samenbrengen en combineren van de standpunten van onderzoekers met verschillende achtergronden en disciplines heeft geleid tot een aantal echt interessante inzichten."

Hij voegde toe, "Het feit dat we het met lichtgolven waarnemen, opent opmerkelijke nieuwe mogelijkheden voor onderzoek, te beginnen met het feit dat we het medium waarin licht zich voortplant met zeer hoge precisie kunnen karakteriseren en het feit dat we ook die takken nauwkeurig kunnen volgen en hun eigenschappen kunnen bestuderen."

Voorname Prof. Moti Segev, de Robert J. Shillman Distinguished Professor in de natuurkunde en elektrotechniek, kijkt naar de toekomst. "Ik leer mijn team altijd om verder te denken dan de horizon, " hij zei, "aan iets nieuws denken, en tegelijkertijd - om naar de experimentele feiten te kijken zoals ze zijn, in plaats van te proberen de experimenten aan te passen aan een bepaald verwacht gedrag. Hier, Tolik probeerde iets heel anders te meten, en was verrast om deze lichte takken te zien die hij aanvankelijk niet kon verklaren. Hij vroeg Miguel om mee te doen aan de experimenten, en samen hebben ze de experimenten aanzienlijk opgewaardeerd - tot het niveau dat ze de betrokken fysica konden isoleren. Toen begonnen we te begrijpen wat we zien. Het duurde meer dan een jaar voordat we begrepen dat wat we hebben het vreemde fenomeen is van "vertakte stroming, " die destijds nooit werd beschouwd in de context van lichtgolven. Nu, met deze observatie kunnen we een overvloed aan nieuwe ideeën bedenken. Bijvoorbeeld, deze lichte takken gebruiken om de vloeistofstroom in vloeistof te regelen, of om de zeep te combineren met fluorescerend materiaal en ervoor te zorgen dat de takken kleine lasers worden. Of om de zeepmembranen te gebruiken als platform voor het verkennen van de grondbeginselen van golven, zoals de overgangen van gewone verstrooiing die altijd diffuus is, naar vertakte stroom, en vervolgens naar Anderson-lokalisatie. Er zijn veel manieren om deze baanbrekende studie voort te zetten. Zoals we in het verleden zo vaak hebben gedaan, we willen moedig gaan waar niemand eerder is geweest."

Het project loopt nu verder in de laboratoria van Profs. Segev en Sivan bij Technion, en parallel in het nieuw opgerichte laboratorium van Prof. Miguel Bandres bij UCF.