Ett team av forskare från Technion - Israel Institute of Technology har observerat förgrenat ljusflöde för första gången. Resultaten publiceras i Natur och finns på omslaget till den 2 juli, 2020 -nummer.

Studien genomfördes av Ph.D. student Anatoly (Tolik) Patsyk, i samarbete med Miguel A. Bandres, som var postdoktor vid Technion när projektet startade och nu är adjunkt vid CREOL, College of Optics and Photonics, University of Central Florida. Forskningen leds av Technions president professor Uri Sivan och framstående professor Mordechai (Moti) Segev vid teknikens fakulteter för fysik och elektroteknik, Solid State Institute, och Russell Berrie Nanotechnology Institute.

När vågor färdas genom landskap som innehåller störningar, de sprider sig naturligt, ofta åt alla håll. Spridning av ljus är ett naturligt fenomen, finns på många ställen i naturen. Till exempel, spridning av ljus är orsaken till den blå färgen på himlen. Som det visar sig, när längden över vilka störningar varierar är mycket större än våglängden, vågen sprids på ett ovanligt sätt:den bildar kanaler (grenar) med ökad intensitet som fortsätter att dela sig, eller förgrena sig, när vågen förökar sig. Detta fenomen är känt som grenat flöde. Det observerades första gången 2001 med elektroner, och hade föreslagits vara allestädes närvarande och förekommer även för alla vågor i naturen, till exempel ljudvågor och till och med havsvågor. Nu, Tekniksforskare tar grenat flöde till ljusets domän:de har gjort en experimentell observation av grenat ljusflöde.

"Vi hade alltid för avsikt att hitta något nytt, och vi var ivriga att hitta den. Det var inte det vi började leta efter, men vi fortsatte leta och vi hittade något mycket bättre, "sade ass. prof. Miguel Bandres." Vi är bekanta med det faktum att vågor sprider sig när de sprider sig i ett homogent medium. Men för andra typer av medier, vågor kan bete sig på väldigt olika sätt. När vi har ett oordnat medium där variationerna är mjuka, som ett landskap av berg och dalar, vågorna kommer att sprida sig på ett märkligt sätt. De kommer att bilda kanaler som fortsätter att dela sig när vågen sprider sig, bildar ett vackert mönster som liknar grenarna på ett träd. "

I sin forskning, laget kopplade en laserstråle till ett tvålmembran, som innehåller slumpmässiga variationer i membrantjocklek. De upptäckte att när ljus sprider sig i tvålfilmen, snarare än att bli spridd, ljuset bildar långsträckta grenar, skapa det grenade flödesfenomenet för ljus.

"Inom optik arbetar vi vanligtvis hårt för att få ljuset att hålla fokus och sprida sig som en kollimerad stråle, men här är överraskningen att tvålfilmens slumpmässiga struktur naturligtvis fick ljuset att hålla fokus. Det är ytterligare en av naturens överraskningar, "sa Tolik Patsyk.

Möjligheten att skapa grenat flöde inom optiken erbjuder nya och spännande möjligheter för att undersöka och förstå detta universella vågfenomen.

"Det finns inget mer spännande än att upptäcka något nytt och det här är den första demonstrationen av detta fenomen med ljusvågor, "sade Technions ordförande prof. Uri Sivan, Bertoldo Badler akademiska ordförande vid Fysiska fakulteten. "Detta visar att spännande fenomen också kan observeras i enkla system och man måste bara vara uppfattande nog för att avslöja dem. Som sådan, att sammanföra och kombinera synpunkter från forskare från olika bakgrunder och discipliner har lett till några riktigt intressanta insikter. "

Han lade till, "Det faktum att vi observerar det med ljusvågor öppnar anmärkningsvärda nya möjligheter för forskning, börjar med det faktum att vi kan karakterisera mediet i vilket ljus sprider sig till mycket hög precision och det faktum att vi också kan följa dessa grenar exakt och studera deras egenskaper. "

Framstående professor Moti Segev, Robert J. Shillman, framstående professor i fysik och elektroteknik, ser framåt. "Jag utbildar alltid mitt team att tänka bortom horisonten, " han sa, "att tänka på något nytt, och samtidigt - att titta på de experimentella fakta som de är, snarare än att försöka anpassa experimenten för att möta vissa förväntade beteenden. Här, Tolik försökte mäta något helt annat, och blev förvånad över att se dessa ljusa grenar som han inte först kunde förklara. Han bad Miguel att delta i experimenten, och tillsammans uppgraderade de experimenten avsevärt - till den nivå de kunde isolera fysiken som var inblandad. Det var då vi började förstå vad vi ser. Det tog mer än ett år innan vi förstod att det vi har är det konstiga fenomenet "grenat flöde, "som vid den tiden aldrig övervägdes i ljusvågor. Nu, med denna observation - kan vi tänka på en uppsjö av nya idéer. Till exempel, använder dessa ljusa grenar för att styra det flytande flödet i vätska, eller att kombinera tvålen med fluorescerande material och få grenarna att bli små lasrar. Eller att använda tvålmembranen som en plattform för att utforska grunderna i vågor, såsom övergångarna från vanlig spridning som alltid är diffusiv, till grenat flöde, och därefter till Anderson -lokalisering. Det finns många sätt att fortsätta denna banbrytande studie. Som vi gjorde många gånger tidigare, vi vill gärna våga gå dit ingen har gått tidigare. "

Projektet fortsätter nu i Profs laboratorier. Segev och Sivan på Technion, och parallellt i det nyetablerade labbet för prof. Miguel Bandres vid UCF.