Как в воду глядели: ученые удержали свет в капле воды

Свет, падающий на каплю воды, вызывает эффекты, аналогичные тем, что происходят в атоме. Открытие поможет понять, как работают атомы, пишут исследователи из Университета Гетеборга в новой статье.

Если пошептаться у стены в куполе собора Святого Павла в Лондоне, то можно обнаружить, что звук отражается от стен купола по всему периметру и слышен на противоположной стороне. Именно поэтому купол собора прозвали шепчущей галереей.

Тот же эффект достигается, когда луч света попадает на каплю воды. Лучи света отскакивают от внутренней стенки капли воды, снова и снова проходя по кругу внутри капли. Когда ее окружность становится кратной длине волны света, возникает резонанс, подобно звуку внутри купола собора, заставляя каплю светиться ярче.

Капелька вспыхивает

В наших экспериментах с лазерным излучением мы увидели, что свет задерживается внутри капли воды. Когда капля уменьшается из-за испарения, она, по-видимому, вспыхивает каждый раз, когда ее размер подходит для создания резонанса, — говорит Хавьер Мармолехо, докторант физического факультета Гетеборгского университета, главный автор нового исследования, опубликованного в журнале Physical Review Letters.

Благодаря технике оптического пинцета, удостоенной, кстати, Нобелевской премии, исследователи могут удерживать каплю воды с помощью лазерных лучей, направленных на нее с двух сторон. Лазерный луч преломляется в капле воды и рассеивается, задерживая свет внутри.

Вы не можете изменить купол собора Святого Павла, но капля воды меняет размер по мере испарения. Исследователи обнаружили, что капля вспыхивает подобно тому, как происходит испускание электрона из атома при освещении светом разной длины волны. Они также смогли использовать аналогию с квантовой механикой, чтобы объяснить, что резонансы — размеры капли, когда рассеяние было наибольшим — соответствуют энергетическим уровням атома. Это делает каплю моделью атома с дополнительным бонусом — ее размер можно изменять. Благодаря этому можно лучше понять, как рассеивается свет, и одновременно построить модель для понимания того, как работают атомы.

Полезно для исследования лекарств

Поскольку капелька воды примерно в 100 000 раз больше атома, мы получаем модель атома, видимого невооруженным глазом, то есть оптический атом, — заявил Хавьер Мармолехо.

Лазерная спектроскопия генерирует данные об энергетических уровнях, связях и структурах в атомах и молекулах. Аналогичным образом спектр рассеянного света от капель воды позволяет получить данные о самих каплях. Это можно использовать для измерения скорости испарения микроскопических капель с высокой точностью, говорят исследователи.

Открытие можно применить не только к воде, но и к другим жидкостям, что будет полезно, например, при изучении аэрозольных капель в ингаляторах, используемых для приема лекарств. Исследователи также отмечают, что данная технология предлагает новый способ анализа качества воды.

Небольшое количество загрязняющих веществ в воде изменяет способ мерцания капель, что открывает возможность быстрого и простого измерения химических или биологических загрязняющих веществ в каплях воды, — заключил Хавьер Мармолехо.

31.01.2023