Фотонный микроскоп раскрыл тайны элементарных частиц
Учеными из NASA совместно с Bell Labs был сконструирован новый микроскоп, позволяющий изучать отдельные фотоны. Новый наноинструмент использует принцип "оптического пинцета", в котором вместо одного лазера расположены три. Как утверждают исследователи, фотонный когерентный микроскоп (ФКМ) позволить создавать исследовать нанофотонные системы.
Дэй Фул, исследователь из NASA, первым предложил положить принцип "оптического пинцета" в основу нового устройства. Этот принцип основан на том, что световой поток обладает импульсом и при изменении его направления возникает сила, связанная с этим изменением.
Фотон характеризуется энергией Е и импульсом р, который, по аналогии с механическим случаем, есть произведение его массы на скорость света: р = mc (здесь имеется в виду масса движущегося фотона, так как масса покоя фотона равна нулю).
Если фотон падает на непрозрачную (поглощающую или отражающую) поверхность, то сообщаемый ей импульс есть, по сути дела, давление света на эту поверхность. Но если осветить лазером прозрачную частицу, то световой пучок испытает на ней преломление - направление вектора скорости света и, следовательно, направление импульса фотонов изменится. Пользуясь механической аналогией, можно сказать, что при этом возникает изменение силы, которое подействует на частицу так, что она двинется в сторону наибольшей интенсивности лазерного пучка.
Дэй разработал схему нового микроскопа на основе трех источников когерентного излучения, расположив их таким образом, что вместе интерференции лучей возникла т.н. "мертвая зона", в которой можно было удержать не только частицы, но и отдельные фотоны.
Исследователи на этом не остановились и пошли дальше - они создали аналог сканирующего зондового микроскопа, регулируя положение "мертвой зоны" в пространстве. Так они смогли конструировать из фотонов различные наносистемы - от колец и прямоугольников и до пирамидок (см. рис. 1).
Рис. 1. Составление нанофотонного прямоугольника (изображение с СТМ)
Как ни странно, создание фотонного микроскопа послужило более интересному открытию. Фул и его коллеги заметили, что фотоны, находящиеся в "мертвой зоне", медленно передвигаются по кругу, напоминая движения простейших. Затем исследователи заметили отсутствие одного из фотонов в "мертвой зоне", затем еще одного, в то время как последний оставшийся фотон заметно увеличился в размерах. Это натолкнуло Дэя и его коллег на мысль о том, что элементарные частицы могут представлять собой некоторую "энергетическую" форму жизни.
А исследователи из Bell Labs попытались изучить спектр излучения оставшегося фотона. На удивление, он содержал фрагменты спектров пропавших фотонов. Один из исследователей назвал этот спектр излучения "энергетической ДНК" элементарных частиц.
Неудивительно, что это открытие поразило ученых. Теперь понятно, на чем основан принцип Паули, который гласит, что две тождественные частицы с полуцелым спином не могут одновременно находиться в одном состоянии - одна из таких частиц мгновенно съедает другую.
Как утверждают ученые, это открытие позволит глубже понять механизмы зарождение и развития жизни на Земле, а также прольет свет на развитие протовселенной после Большого Взрыва. А пока Дэй Фул собирается с помощью новой технологии конструировать бытовые приборы, состоящие из иммобилизированных фотонов. Он назвал их "вечными лампочками". Этим универсальным светильникам не нужно будет притока энергии извне для свечения, и они будут практически вечными, несмотря на то, что фотоны будут постепенно поглощать друг друга.
Свидиненко Юрий
Источники:
1. NASA: Nanotechnology moves to photon's light
2. Bell Labs: Creatures of the light
2005, Nanotechnology News Network |
|
