Боковая отталкивающая сила света

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).