Een internationale groep onderzoekers heeft gemeten hoeveel een laserstraal aan het water trekt waar hij doorheen schijnt.

Aangezien licht een elektromagnetisch golffenomeen vormt, is het bekend dat een laserstraal die door water schijnt ermee in wisselwerking staat via een proces dat elektrostrictie wordt genoemd, wat inhoudt dat het water wordt samengedrukt naar de as van de laserstraal. Dit fenomeen is vergelijkbaar met het knijpen in een tube tandpasta; de pasta wordt naar binnen geduwd, waardoor deze ook langs de tube beweegt, waardoor er wat tandpasta uit komt.

Nu heeft een internationaal team van onderzoekers de krachtdichtheid gemeten die wordt uitgeoefend door laserlicht in een waterkolom terwijl het er doorheen gaat. "Dit is de eerste keer dat de krachtdichtheid die wordt uitgeoefend door het licht in materie is gemeten; eerdere experimenten maten alleen de krachten op het grensvlak van verschillende materialen, of de nettokrachten die op kleine deeltjes werden uitgeoefend", zegt Nelson Astrath van de Universidade Estadual de Maringá.

Dezelfde analogie helpt verklaren hoe de onderzoekers erin slaagden de kleine kracht die door licht werd uitgeoefend te meten. Door de uiteinden van de met water gevulde tube af te sluiten met glasplaten, plaatsen ze de dop effectief terug op de tandpastatube. "Op deze manier kon de tijdelijke compressie het water niet langer langs het pad van de laser wegduwen, waardoor de door elektrostrictie gegenereerde elastische golven die weglopen van de laserstraal het dominante effect hebben", zegt Tomaž Požar van de Universiteit van Ljubljana. Na het meten van de eigenschappen van die golf, konden de onderzoekers de betrokken krachten berekenen.

Elastische golven gevangen tussen kuvettenwanden

De experimenten, die in Brazilië werden uitgevoerd, moesten controleren op andere interacties die dit effect zouden kunnen onderdrukken. "Lasers verwarmen bijvoorbeeld ook een klein beetje water voor een kort moment, waardoor het uitzet", zeggen Mauro Baesso en Gabriel Flizikowski van de Universidade Estadual de Maringá. Om dit te voorkomen, moest het team ultrazuiver water gebruiken, met niets erin dat zou opwarmen door meer elektromagnetische energie te absorberen dan het zuivere water zelf. De lasergolflengte werd ook zorgvuldig gecontroleerd om de absorptie te minimaliseren.

"Elektrostrictie houdt in dat de atomen zich dichter bij elkaar bevinden, waardoor de dichtheid toeneemt. Deze vernauwing is het tegenovergestelde van de thermische uitzetting die normaal gesproken volgt op elektromagnetische absorptie bij kamertemperatuur. Hierdoor kan de compressie alleen worden gemeten in materialen die zeer weinig elektromagnetische absorptie", zegt Mikko Partanen van Aalto University.

"Bulk- en grens optische krachten in de vloeistof kunnen worden waargenomen in het ingewikkelde optische signaal vanwege de resulterende spatiotemporele drukverdeling. De drukverstoring houdt verband met samendrukbaarheid, wat de elektrostrictie Helmholtz-kracht betekent. Deze kracht was historisch moeilijk te meten en nauwkeurig te modelleren ', zegt Iver Brevik van de Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie. "We zijn ook in staat om onderscheid te maken tussen de stralingsgeïnduceerde thermische en niet-lineaire Kerr-effecten, dus beschouwen deze bevindingen als een belangrijke bijdrage aan door licht geïnduceerde drukverstoringsexperimenten in diëlektrische vloeistoffen", zegt Daniel Razansky van de Universiteit van Zürich en ETH Zürich. .

"Het experiment is een belangrijke sprong voorwaarts in het formuleren van een exacte tijd- en positieafhankelijke optische krachttheorie, die theoretisch en experimenteel op ondubbelzinnige wijze is geverifieerd. In het bijzonder verifieert het experiment kwantitatief de axiale component van de optische krachtdichtheid voor een optische straal. Waar nog mee geëxperimenteerd moet worden, is het meten van de longitudinale krachtcomponent", zegt Stephen Bialkowski van de Utah State University.

Naast de experimenten maakten de onderzoekers een theoretisch model om hun resultaten te verklaren. "Er is meer werk nodig om verschillende aspecten van het model goed te begrijpen vanuit het oogpunt van de speciale relativiteitstheorie", voegde Bruno Anghinoni en Luis Malacarne eraan toe.

De studie bouwt voort op de bevindingen van Nobelprijswinnaar Arthur Ashkin, die hij gebruikte om een ​​optisch pincet te ontwikkelen voor het manipuleren van minuscule materiedeeltjes met licht. "Het nieuwe onderzoek bevordert ons begrip van hoe een optisch veld geproduceerd door het pincet de vervormbare materie beïnvloedt die wordt gemanipuleerd", voegde Nelson Astrath en Tomaž Požar eraan toe.

"Het onderzoek zou onder andere kunnen worden toegepast in de biologie of de geneeskunde. Als optische elektrostrictie kan worden gebruikt om de mechanische eigenschappen van materie te beheersen, kan het mogelijk worden gebruikt in optische micro-elektromechanische systemen", zegt Jukka Tulkki van de Aalto University.

De studie, "Onthulling van bulk- en oppervlaktestralingskrachten in een diëlektrische vloeistof", is gepubliceerd in Light:Science &Applications . + Verder verkennen

Als licht zijn symmetrie verliest, kan het deeltjes vasthouden