В 17-18 веках итальянский мастер Антонио Страдивари создавал музыкальные инструменты легендарного качества, и наиболее известными из них являются его (так называемые) скрипки Страдивари. Что делает музыкальный результат этих музыкальных инструментов красивым и уникальным, так это их особый тембр, также известный как цвет тона или качество тона.
У всех инструментов есть тембр – когда воспроизводится музыкальная нота (звук с частотой fs), инструмент создает гармоники (частоты, которые являются целым числом, кратным начальной частоте, i.е. 2fs, 3fs, 4fs, 5fs, 6fs и т. Д.).
Точно так же, когда свет определенного цвета (с частотой fc) освещает материалы, эти материалы могут создавать гармоники (световые частоты 2fc, 3fc, 4fc, 5fc, 6fc и т. Д.). Гармоники света раскрывают сложные свойства материалов, которые находят применение в медицинской визуализации, связи и лазерных технологиях.
Например, практически каждая зеленая лазерная указка на самом деле является инфракрасной лазерной указкой, свет которой невидим для человеческого глаза. Зеленый свет, который мы видим, на самом деле является второй гармоникой (2fc) инфракрасной лазерной указки, и он создается специальным кристаллом внутри указателя.
Как в музыкальных инструментах, так и в блестящих материалах некоторые частоты запрещены, то есть их нельзя услышать или увидеть, потому что инструмент или материал активно их отменяют. Поскольку кларнет имеет прямую цилиндрическую форму, он подавляет все четные гармоники (2fs, 4fs, 6fs и т. Д.) и производит только нечетные гармоники (3fs, 5fs, 7fs и т. д.). Напротив, саксофон имеет коническую и изогнутую форму, которая допускает все гармоники и приводит к более богатому и плавному звучанию.
Примерно так же, когда определенный тип света (с круговой поляризацией) падает на металлические наночастицы, диспергированные в жидкости, нечетные гармоники света не могут распространяться вдоль направления распространения света, и соответствующие цвета запрещены.
Теперь международная группа ученых во главе с исследователями из физического факультета Университета Бата нашла способ выявить запрещенные цвета, что равносильно открытию нового физического эффекта. Чтобы добиться этого результата, они «изогнули» свое экспериментальное оборудование.
Профессор Венцислав Валев, руководивший исследованием, сказал: «Идея о том, что закрутка наночастиц или молекул может быть обнаружена через ровные гармоники света, была впервые сформулирована более 42 лет назад молодым аспирантом Дэвидом Эндрюсом. Дэвид считал свою теорию слишком неуловимой, чтобы ее можно было проверить экспериментально, но два года назад мы продемонстрировали это явление. Теперь мы обнаружили, что скручивание наночастиц можно наблюдать и в нечетных гармониках света.
Особенно отрадно, что соответствующую теорию предложил не кто иной, как наш соавтор, ныне признанный профессор Дэвид Эндрюс!
"Если взять музыкальную аналогию, до сих пор ученые, изучающие скрученные молекулы (ДНК, аминокислоты, белки, сахара и т. Д.) И наночастицы в воде – элементе жизни – освещали их с заданной частотой и либо наблюдали та же частота или ее шум (негармонические частичные обертоны). Наше исследование открывает возможность изучения гармонических сигнатур этих скрученных молекул.
Итак, мы впервые можем оценить их тембр.
«С практической точки зрения наши результаты предлагают простой и удобный экспериментальный метод для достижения беспрецедентного понимания взаимодействия между светом и скрученными материалами. Такие взаимодействия лежат в основе появляющихся новых нанотехнологий в области связи, наноробототехники и ультратонких оптических компонентов. Например, «скручивание» наночастиц может определять значение информационных битов (для левостороннего или правостороннего скручивания).
Он также присутствует в пропеллерах нанороботов и может влиять на направление распространения лазерного луча. Более того, наш метод применим в крошечных объемах освещения, подходящих для анализа природных химических продуктов, которые являются многообещающими для новых фармацевтических препаратов, но где доступный материал часто недостаточен.
Аспирант Лукас Оноутек, также участвовавший в исследовании, сказал: «Мы были очень близки к тому, чтобы упустить это открытие. Наше первоначальное оборудование не было хорошо настроено, поэтому мы продолжали ничего не видеть на третьей гармонике. Я начал терять надежду, но мы провели встречу, определили потенциальные проблемы и систематически исследовали их, пока не обнаружили проблему. Замечательно испытать научный метод в действии, особенно когда он приводит к научному открытию!"
Профессор Эндрюс добавил: «Профессор Валев привел международную команду к настоящему первому в прикладной фотонике. Когда он пригласил меня к участию, это привело меня к теоретической работе после докторантуры. Было удивительно видеть, как много лет спустя это воплотилось в жизнь."
Исследование финансировалось Королевским обществом, Советом по науке и технологиям (STFC) и Советом по инженерным и физическим исследованиям (EPSRC).