Fysikforskare vid University of Bath i Storbritannien upptäcker en ny fysisk effekt relaterad till växelverkan mellan ljus och vridna material - en effekt som sannolikt kommer att få konsekvenser för nya nanotekniker inom kommunikation, nanorobotik och ultratunna optiska komponenter.

På 1600- och 1700-talen, den italienska hantverkaren Antonio Stradivari producerade musikinstrument av legendarisk kvalitet, och mest kända är hans (så kallade) Stradivarius-fioler. Det som gör den musikaliska produktionen av dessa musikinstrument både vacker och unik är deras speciella klangfärg, även känd som tonfärg eller tonkvalitet. Alla instrument har en klang - när en musiknot (ljud med frekvens fs) spelas, instrumentet skapar övertoner (frekvenser som är en heltalsmultipel av den initiala frekvensen, dvs 2fs, 3fs, 4fs, 5fs, 6fs, etc.).

Liknande, när ljus av en viss färg (med frekvens fc) lyser på material, dessa material kan producera övertoner (ljusfrekvenser 2fc, 3fc, 4fc, 5fc, 6fc, etc.). Ljusets övertoner avslöjar intrikata materialegenskaper som kan användas inom medicinsk bildbehandling, kommunikation och laserteknik.

Till exempel, praktiskt taget varje grön laserpekare är faktiskt en infraröd laserpekare vars ljus är osynligt för mänskliga ögon. Det gröna ljuset som vi ser är faktiskt den andra övertonen (2fc) av den infraröda laserpekaren och den produceras av en speciell kristall inuti pekaren.

I både musikinstrument och glänsande material, vissa frekvenser är 'förbjudna' - det vill säga de kan inte höras eller ses eftersom instrumentet eller materialet aktivt avbryter dem. Eftersom klarinetten har en rak, cylindrisk form, den undertrycker alla jämna övertoner (2fs, 4fs, 6fs, etc.) och producerar endast udda övertoner (3fs, 5fs, 7fs, etc.). Däremot en saxofon har en konisk och krökt form som tillåter alla övertoner och resulterar i en rikare, mjukare ljud. Något liknande, när en specifik typ av ljus (cirkulärt polariserat) lyser på metallnanopartiklar spridda i en vätska, de udda övertonerna av ljus kan inte sprida sig längs ljusets färdriktning och motsvarande färger är förbjudna.

Nu, ett internationellt team av forskare under ledning av forskare från Institutionen för fysik vid University of Bath har hittat ett sätt att avslöja de förbjudna färgerna, som motsvarar upptäckten av en ny fysisk effekt. För att uppnå detta resultat, de 'böjde' sin experimentella utrustning.

Professor Ventsislav Valev, som ledde forskningen, sade:"Tanken att vridningen av nanopartiklar eller molekyler kunde avslöjas genom jämna ljusets övertoner formulerades först för över 42 år sedan, av en ung Ph.D. student — David Andrews. David tyckte att hans teori var för svårfångad för att någonsin kunna valideras experimentellt, men två år sedan, vi visade detta fenomen. Nu, vi upptäckte att vridningen av nanopartiklar också kan observeras i ljusets udda övertoner. Det är särskilt glädjande att den relevanta teorin kom från ingen annan än vår medförfattare och numera väletablerade professor-David Andrews!

"För att ta en musikalisk analogi, tills nu, forskare som studerar vridna molekyler (DNA, aminosyror, proteiner, sockerarter, etc) och nanopartiklar i vatten - livselementet - har belyst dem vid en given frekvens och antingen observerat samma frekvens eller dess brus (inharmoniska partiella övertoner). Vår studie öppnar studiet av de harmoniska signaturerna för dessa vridna molekyler. Så, vi kan uppskatta deras "klang" för första gången.

"Ur praktisk synvinkel, våra resultat ger en enkel, användarvänlig experimentell metod för att uppnå en aldrig tidigare skådad förståelse för samspelet mellan lätta och vridna material. Sådana interaktioner är kärnan i framväxande nya nanotekniker inom kommunikation, nanorobotik och ultratunna optiska komponenter. Till exempel, nanopartiklarnas "vridning" kan bestämma värdet av informationsbitar (för vänster- eller högerhänt vridning). Det finns också i propellrarna för nanoroboter och kan påverka utbredningsriktningen för en laserstråle. Dessutom, vår metod är tillämplig i små volymer belysning, lämplig för analys av naturliga kemiska produkter som är lovande för nya läkemedel men där det tillgängliga materialet ofta är knappt.

Ph.D. student Lukas Ohnoutek, också involverad i forskningen, sa:"Vi kom väldigt nära att missa denna upptäckt. Vår initiala utrustning" stämde "inte bra och så såg vi ingenting vid den tredje harmoniken. Jag började tappa hoppet men vi hade ett möte, identifierade potentiella problem och undersökte dem systematiskt tills vi upptäckte problemet. Det är underbart att uppleva den vetenskapliga metoden på jobbet, särskilt när det leder till en vetenskaplig upptäckt! "

Professor Andrews tillade:'' Professor Valev har lett ett internationellt team till en riktig första i tillämpad fotonik. När han bjöd in mitt deltagande, det ledde mig tillbaka till teoriarbetet från mina doktorandstudier. Det har varit fantastiskt att se det bli så många år senare. "

Forskningen publiceras i tidskriften Laser &Photonic recensioner.