Спіральне світло може змінити автономне бачення

Дослідники з Мічиганського університету знайшли спосіб виробляти яскраве викривлене світло за допомогою технології, подібної до лампи Едісона. Цей прорив переглядає принципи випромінювання чорного тіла, пропонуючи потенціал для передових робототехнічних систем зору, здатних розрізняти тонкі варіації властивостей світла, наприклад ті, що випромінюють живі організми або об’єкти.

Яскраве спотворене світло: дивовижна інновація

Дослідники з Мічиганського університету продемонстрували, що яскраве викривлене світло можна генерувати за допомогою технології, що нагадує культову лампочку Едісона. Це відкриття не тільки поглиблює наше розуміння фундаментальної фізики, але й відкриває нові можливості для роботизованих систем бачення та інших додатків, що включають світло, яке обертається в просторі по спіралі.

«Важко створити достатню яскравість, створюючи спотворене світло традиційними способами, такими як люмінесценція електронів або фотонів », — пояснив Джун Лу, допоміжний науковий співробітник хімічної інженерії в Університеті Університету та перший автор дослідження, яке розміщено на обкладинці журналу Science цього року.

Перегляд старої ідеї для нової фізики

«Поступово ми помітили, що насправді маємо дуже старий спосіб генерувати ці фотони — не покладаючись на збудження фотонів і електронів, а подібно до лампочки, яку розробив Едісон».

Будь-який об’єкт із будь-яким нагріванням, включаючи вас, постійно посилає фотони (частки світла) у спектрі, пов’язаному з його температурою. Коли об’єкт має таку ж температуру, як і його оточення, він також поглинає еквівалентну кількість фотонів — це ідеалізується як «випромінювання чорного тіла», оскільки чорний колір поглинає всі частоти фотонів.

Хоча нитка розжарення вольфрамової лампочки набагато тепліша за навколишнє середовище, закон, що визначає випромінювання чорного тіла — закон Планка — пропонує хороше наближення спектра фотонів, які вона посилає. Усі разом видимі фотони виглядають як біле світло, але коли ви пропускаєте світло крізь призму, ви можете побачити веселку з різних фотонів у ньому.

Це випромінювання також є причиною яскравості теплового зображення, але навіть об’єкти кімнатної температури постійно випромінюють і отримують фотони чорного тіла, що також робить їх тьмяно видимими.

Форма та поляризація: нова перспектива

Як правило, форму об’єкта, який випромінює випромінювання, не враховують — для більшості цілей (як це часто трапляється у фізиці) об’єкт можна уявити як сферу. Але хоча форма не впливає на спектр довжин хвиль різних фотонів, вона може впливати на іншу властивість: їхню поляризацію.

Зазвичай фотони від джерела чорного тіла випадково поляризовані — їхні хвилі можуть коливатися вздовж будь-якої осі. Нове дослідження показало, що якби випромінювач був скручений на мікро- або нанорозмірі, з довжиною кожного скручування, подібним до довжини хвилі випромінюваного світла, випромінювання чорного тіла також було б скручене. Сила скручування у світлі, або його еліптична поляризація, залежала від двох основних факторів: наскільки довжина хвилі фотона була близькою до довжини кожного скручування, і електронних властивостей матеріалу — нановуглецю чи металу, у цьому випадку.

Хіральне світло та роботизоване бачення

Закручене світло також називають «хіральним», оскільки обертання за годинниковою стрілкою та проти годинникової стрілки є дзеркальним відображенням одне одного. Дослідження було проведено, щоб продемонструвати передумови більш прикладного проекту, який хотіла б продовжити команда з Мічигану: використання хірального випромінювання чорного тіла для ідентифікації об’єктів. Вони уявляють роботів і самокеровані автомобілі, які бачать, як креветки-богомоли, розрізняючи світлові хвилі з різними напрямками обертання та ступенем скручування.

Реальні програми для Twisted Light

«Прогрес у фізиці випромінювання чорного тіла хіральними наноструктурами є центральним у цьому дослідженні. Такі випромінювачі є скрізь навколо нас», — сказав Ніколас Котов, почесний професор хімічних наук та інженерії Ірвінга Ленгмюра, директор NSF Center of Complex Particles and Particle Systems (COMPASS) і відповідний автор дослідження.

«Ці висновки, наприклад, можуть бути важливими для автономного транспортного засобу, щоб визначити різницю між оленем і людиною, які випромінюють світло з однаковою довжиною хвилі, але різною спіральністю, тому що хутро оленя відрізняється від нашої тканини».

Яскравість і майбутні виклики

Незважаючи на те, що яскравість є головною перевагою цього методу для створення викривленого світла (у 100 разів яскравіше, ніж інші підходи), світло включає широкий спектр як довжин хвиль, так і поворотів. Команда має ідеї щодо того, як це вирішити, зокрема досліджуючи можливість побудови лазера, який базується на кручених світловипромінюючих структурах. Котов також хоче глибше досліджувати інфрачервоний спектр. Пікова довжина хвилі випромінювання чорного тіла при кімнатній температурі становить приблизно 10 000 нанометрів або 0,01 міліметра.

«Це область спектра з великою кількістю шуму, але, можливо, можна підсилити контраст за допомогою їх еліптичної поляризації», — сказав Котов.