Хун Тан (Hong
Tang) и его команда из школы инжиниринга и прикладных наук
Йельского университета экспериментально выявили отталкивающее
действие света. Тем самым они завершили построение картины
биполярного взаимодействия близкорасположенных наноразмерных
волноводов, по которым проходят пучки излучения с определёнными
параметрами.
В прошлом году Тан и его коллеги скомбинировали
наномеханику и нанофотонику, впервые построив устройство, в котором
для контроля положения компонентов применялась боковая
(перпендикулярная лучу) сила воздействия со стороны света.
Это взаимодействие электромагнитных волн и оптической системы не
следует путать с давно известным фронтальным давлением света,
падающего на поверхность того или иного тела.
Существование боковых сил (также называемых оптическими
связывающими силами — optical binding force) теоретики
предсказывали с 2005 года, причём предполагалось, что эти силы могут
быть как отталкивающими, так и притягивающими. Последние как раз
удалось обнаружить в прошлом году.
А вот теперь та же группа исследователей построила
микроскопическое устройство, в котором добилась проявления как силы
притяжения, так и силы отталкивания между соседними световыми
пучками, пойманными внутри волноводов. Причём физики нашли способ
регулировать эти силы по своему желанию.
a – так выглядит новое
устройство, созданное Таном; b – сердцевина схемы при более
крупном увеличении (на левом кадре она обведена красной
рамкой) (фото Mo Li et
al.).
"Это завершает картину, — заявил Тан. — Мы показали,
что действительно существует двухполярная сила света с притягивающей
и отталкивающей компонентами". Физики поясняют, что существование
оптических связывающих сил увязано с уравнениями
Максвелла, а по физической сути данные силы являются
родственниками силы
Казимира, которая появляется из-за квантовых флуктуаций в
вакууме.
Для проявления этой новой силы учёные разделили луч инфракрасного
лазера на два отдельных потока, проходящих по кремниевым
нановолноводам, отличным по длине. После завершения такой петли эти
волноводы подходили вплотную друг к другу (расстояние в ряде опытов
менялось). В этот момент два бегущих рядом пучка оказывались со
смещёнными друг относительно друга фазами.
В зависимости от величины этого сдвига, выяснили
экспериментаторы, и меняется (по величине и знаку) боковая сила
взаимодействия этих пучков, которую они передают на удерживающие их
волноводы. И хотя сила была мала (порядка нескольких пиконьютонов),
её удалось измерить и выявить закономерности: открытая сила зависела
и от сдвига фаз, и от мощности излучения, и от расстояния между
нановолноводами.
a – схема двух волноводов,
подвешенных над полостью (чтобы они могли изгибаться под
действием света); b – зависимость силы (пН/мкм.мВт) от
расстояния между волноводами (нм) и сдвигом фаз; c – амплитуда
и знак боковой силы в зависимости от разности фаз при
расстоянии между световыми лучами в 400 нм; d – картина
распределения притягивающих и отталкивающих сил в зависимости
от разности фаз двух лучей и дистанции между волноводами. В
последних двух случаях шкалы силы также размечены в
пН/мкм.мВт. На всех графиках и рисунках красным отмечено
действие сил притяжения, синим – отталкивания (иллюстрации Mo
Li et al.).
"Силы взаимодействия света интригуют, поскольку работают
противоположным образом по сравнению с заряженными телами, —
говорит один из авторов эксперимента Вольфрам Пернайс (Wolfram
Pernice). — Противоположные заряды притягивают друг друга,
тогда как сдвинутые по фазе световые лучи отталкиваются".
Команда Тана полагает, что придуманная ими технология
когда-нибудь пригодится в создании быстрых, компактных и экономичных
телекоммуникационных устройств. В таких схемах компоненты могли бы
взаимодействовать между собой при помощи пойманного в волноводы
света, что помогло бы кардинально сократить число проводников.
Результаты работы её авторы изложили в статье
в журнале Nature Photonics (её можно прочитать на сервере
arXiv.org).
