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重磅!首次观察到分支光流,光也可以像树一样,从树干无限分支

来自以色列理工学院的科学家首次观测到分支光流,其研究发现发表在《自然》期刊上,因其重要发现上了《自然》期刊封面。这项研究是由博士生Anatoly(Tolik)Patsyk与Miguel A.Bandres合作进行,Miguel A.Bandres在项目开始时是Technion的博士后研究员,现在是中佛罗里达大学光学和光子学学院CREOL的助理教授。

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这项研究由理工学院校长Uri Sivan教授和理工学院物理和电气工程学院、固态研究所和Russell Berrie纳米技术研究所的杰出教授Mordechai(Moti)Segev领导。当光波在包含干扰的地貌中传播时,它们会自然地分散,通常是四面八方的,光的散射是一种自然现象,存在于自然界的许多地方,例如,光散射是天空呈蓝色的原因。事实证明,当扰动变化的长度远远大于光波长时,光波以一种不寻常的方式散射:

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它形成强度增强的通道(分支),随着波的传播,这些通道(分支)继续分裂为更多分支,这种现象称为分支流,最早是在2001年用电子观测到的,并被认为无处不在,自然界中的所有波也都会发生,例如声波,甚至海浪。现在,Technion的研究人员正在将分支流引入光领域:对分支光流进行了实验观察。米格尔·班德雷斯(Miguel Bandres)助理教授说:我们一直有找到新东西的意图,并渴望找到它,最终找到了这个东西。

像树枝一样的分支光流

大家所熟悉波在均匀介质中传播的事实,但对于其他类型的介质,波的表现方式可能截然不同。当有一个无序的介质,变化是平滑的,就像山脉和山谷的风景一样,波将以一种特殊的方式传播。它们将形成随着波的传播而不断分裂的通道,形成一个类似于树枝的美丽图案。在研究中,研究小组将激光束耦合到肥皂膜上,肥皂膜含有随机变化的膜厚度。

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研究发现,当光在肥皂膜中传播时,光不会被散射,而是会形成细长的分支,从而产生分支光流动现象。在光学领域通常努力让光保持聚焦,并以准直光束的形式传播,但在这项研究中,令人惊讶的是,肥皂膜的随机结构自然导致了这种分支光流的现象,这是大自然给我们的另一个惊喜,只是现在才发现。在光学领域中产生分支流的能力,为研究和理解这一普遍波动现象提供了令人兴奋的新机会。

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以色列理工学院主席、贝尔托尔多·巴德勒物理系学术主席尤里·西文教授说:没有什么比发现一些新东西更令人兴奋的了,这是第一次用光波证明这一现。这表明,在简单的系统中也可以观察到有趣现象,人们只需有足够的洞察力就能发现它们。因此,汇集和结合来自不同背景和不同学科研究人员的观点,带来了一些真正有趣的见解。那就用光波观察它的事实,为研究打开了非凡的新可能性。

在光波中也存在“分支流”现象

首先是可以非常精确地描述光在其中传播的介质特征,也可以准确地跟踪这些分支并研究它们的性质。著名教授莫蒂·塞格夫,罗伯特·J·希尔曼物理学和电气工程学特聘教授说:展望未来,我总是教育研究团队超越地平线去思考,去思考一些新的东西,同时看实验事实的原貌,而不是试图调整实验以满足某些预期的行为。在本研究中,托利克试图测量一些完全不同的东西,他惊讶地看到了这些他最初无法解释的“光树枝”。

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故而邀请米格尔加入实验,一起将实验大大升级到可以分离出所涉及的物理的水平,花了一年多的时间,最终才明白,这是是一种奇怪的“分支流”现象,在当时,这种现象从未被考虑到光波的背景下。现在,有了这个观察,可以想出很多的新想法。例如,使用这些光树枝来控制液体中的流体流动,或者将肥皂与荧光材料结合,使枝条成为小激光。或者使用肥皂膜作为探索波的基本原理平台,例如从通常是扩散的普通散射到分支流的转变。

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博科园|研究/来自:以色列理工学院/美国技术学会

参考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-020-2376-8​

 

来源: 博科园

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