Natuurkundige onderzoekers van de Universiteit van Bath in het VK ontdekken een nieuw fysiek effect met betrekking tot de interacties tussen licht en verwrongen materialen - een effect dat waarschijnlijk gevolgen zal hebben voor opkomende nieuwe nanotechnologieën in communicatie, nanorobotica en ultradunne optische componenten.

In de 17e en 18e eeuw, de Italiaanse meestervakman Antonio Stradivari produceerde muziekinstrumenten van legendarische kwaliteit, en het meest bekend zijn zijn (zogenaamde) Stradivarius-violen. Wat de muzikale output van deze muziekinstrumenten zowel mooi als uniek maakt, is hun specifieke timbre, ook wel toonkleur of toonkwaliteit genoemd. Alle instrumenten hebben een timbre—wanneer een muzieknoot (geluid met frequentie fs) wordt gespeeld, het instrument creëert harmonischen (frequenties die een geheel veelvoud zijn van de initiële frequentie, d.w.z. 2fs, 3fs, 4fs, 5fs, 6fs, enzovoort.).

evenzo, wanneer licht van een bepaalde kleur (met frequentie fc) op materialen schijnt, deze materialen kunnen harmonischen produceren (lichtfrequenties 2fc, 3fc, 4fc, 5fc, 6fc, enzovoort.). De harmonischen van licht onthullen ingewikkelde materiaaleigenschappen die worden toegepast in medische beeldvorming, communicatie en lasertechnologie.

Bijvoorbeeld, vrijwel elke groene laserpointer is in feite een infrarood laserpointer waarvan het licht onzichtbaar is voor het menselijk oog. Het groene licht dat we zien is eigenlijk de tweede harmonische (2fc) van de infrarode laseraanwijzer en wordt geproduceerd door een speciaal kristal in de aanwijzer.

In zowel muziekinstrumenten als glanzende materialen, sommige frequenties zijn 'verboden' - dat wil zeggen, ze kunnen niet worden gehoord of gezien omdat het instrument of materiaal ze actief annuleert. Omdat de klarinet een rechte, cilindrische vorm, het onderdrukt alle even harmonischen (2fs, 4fs, 6fs, etc.) en produceert alleen oneven harmonischen (3fs, 5fs, 7fs, enzovoort.). Daarentegen, een saxofoon heeft een conische en gebogen vorm die alle boventonen toelaat en resulteert in een rijkere, zachter geluid. Enigszins vergelijkbaar, wanneer een specifiek type licht (circulair gepolariseerd) schijnt op metalen nanodeeltjes verspreid in een vloeistof, de oneven harmonischen van licht kunnen zich niet voortplanten in de richting van het licht en de overeenkomstige kleuren zijn verboden.

Nutsvoorzieningen, een internationaal team van wetenschappers onder leiding van onderzoekers van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Bath heeft een manier gevonden om de verboden kleuren te onthullen, wat neerkomt op de ontdekking van een nieuw fysiek effect. Om dit resultaat te bereiken, ze 'bogen' hun experimentele apparatuur.

Professor Ventsislav Valev, die het onderzoek leidde, zei:"Het idee dat de draaiing van nanodeeltjes of moleculen kan worden onthuld door zelfs harmonischen van licht, werd meer dan 42 jaar geleden voor het eerst geformuleerd, door een jonge Ph.D. leerling - David Andrews. David dacht dat zijn theorie te ongrijpbaar was om ooit experimenteel gevalideerd te worden, maar, twee jaar geleden, we hebben dit fenomeen aangetoond. Nutsvoorzieningen, we ontdekten dat de draaiing van nanodeeltjes ook kan worden waargenomen in de oneven harmonischen van licht. Het is vooral verheugend dat de relevante theorie werd geleverd door niemand minder dan onze co-auteur en tegenwoordig een gevestigde professor - David Andrews!

"Om een ​​muzikale analogie te nemen, tot nu, wetenschappers die gedraaide moleculen (DNA, aminozuren, eiwitten, suikers, enz.) en nanodeeltjes in water - het element van het leven - hebben ze verlicht met een bepaalde frequentie en hebben diezelfde frequentie of de ruis ervan waargenomen (onharmonische gedeeltelijke boventonen). Onze studie opent de studie van de harmonische handtekeningen van deze verwrongen moleculen. Dus, we kunnen voor het eerst hun 'timbre' waarderen.

"Praktisch gezien onze resultaten bieden een duidelijk, gebruiksvriendelijke experimentele methode om een ​​ongekend begrip te krijgen van de interacties tussen licht en gedraaide materialen. Dergelijke interacties vormen de kern van opkomende nieuwe nanotechnologieën in communicatie, nanorobotica en ultradunne optische componenten. Bijvoorbeeld, de 'twist' van nanodeeltjes kan de waarde van informatiebits bepalen (voor linkshandige of rechtshandige twist). Het is ook aanwezig in de propellers van nanorobots en kan de voortplantingsrichting van een laserstraal beïnvloeden. Bovendien, onze methode is toepasbaar in kleine hoeveelheden verlichting, geschikt voor de analyse van natuurlijke chemische producten die veelbelovend zijn voor nieuwe geneesmiddelen maar waar het beschikbare materiaal vaak schaars is.

doctoraat student Lukas Ohnoutek, ook betrokken bij het onderzoek, zei:"We kwamen heel dicht bij het missen van deze ontdekking. Onze oorspronkelijke apparatuur was niet goed 'afgestemd' en dus bleven we niets zien op de derde harmonische. Ik begon de hoop te verliezen, maar we hadden een ontmoeting, potentiële problemen geïdentificeerd en systematisch onderzocht totdat we het probleem ontdekten. Het is prachtig om de wetenschappelijke methode aan het werk te ervaren, vooral als het leidt tot een wetenschappelijke ontdekking!"

Professor Andrews voegde toe:''Professor Valev heeft een internationaal team naar een echte primeur in de toegepaste fotonica geleid. Toen hij mijn deelname uitnodigde, het leidde me terug naar het theoriewerk van mijn doctoraatsstudies. Het is geweldig om te zien dat het zoveel jaren later tot bloei is gekomen."

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Laser- en fotonische beoordelingen.