Тіні є природним наслідком непрозорих стін в освітленому Всесвіті. Світло світить; фотони рухаються до тих пір, поки не вдаряться об об’єкт, крізь який вони не можуть пройти; це блокування створює тінь, невеликий шматочок темряви, де світло перешкоджає. Однак фізики щойно виявили щось дуже дивне. Лазер, що проходить через потрібний прозорий матеріал, може змусити його оточення стати непрозорим, майже так, ніби він відкидає власну тінь.
Коли два промені лазерного світла перетинаються правильним чином, первинний промінь не може пройти крізь вторинний, утворюючи затінену лінію світла, яке потрапляє на протилежну поверхню.
«Наша демонстрація дуже суперечливого оптичного ефекту спонукає нас переглянути наше уявлення про тінь», — каже фізик Рафаель Абрахао з Брукхейвенської національної лабораторії в США.
За винятком дуже особливих обставин, фотони не взаємодіють один з одним, коли хвилі, що перетинаються, безперешкодно проходять наскрізь. Якщо ви схрещуєте два промені, вони проходитимуть один крізь одного, ніби там нічого немає – ніби один промінь ліхтарика крізь інший.
Абрахао та його колеги вирішили дослідити, чи може промінь світла відкидати тінь майже як побічний проєкт. Вони вивчали, як промені світла взаємодіють, коли вводяться нелінійні матеріали. Це матеріали, чия взаємодія зі світлом не масштабується лінійно, що призводить до таких ефектів, як посилення, поглинання, самофокусування та гармоніки (або повторення частоти).
Вони використовували програмне забезпечення для 3D-моделювання, щоб створити прості схеми для своїх експериментів. У цьому програмному забезпеченні промінь світла був представлений у вигляді суцільного циліндра, який відкидав тінь, і фізикам це здалося досить кумедним… поки вони не знайшли це цікавим.
«Те, що почалося як кумедна дискусія під час обіду, призвело до розмови про фізику лазерів і нелінійну оптичну реакцію матеріалів», — каже Абрахао. «Звідти ми вирішили провести експеримент, щоб продемонструвати тінь лазерного променя».
Рубін є популярним матеріалом для вивчення нелінійної оптики, тому дослідники використовували один як точку зустрічі для своїх двох лазерів, одного синього та одного зеленого. Блакитне лазерне світло було спрямоване на одну сторону рубіна, де воно проходило крізь і кидало прохолодне світіння на екран, тоді як вузький промінь зеленого лазерного світла проходив перпендикулярно до першого від іншого.
Там, де тонка лінія зеленого світла падала на молекули рубіна, відбувався складний танець електронів, що підіймалися й опускалися. Як наслідок, трохи коротша довжина хвилі синього світла була заплутана перехідними електронами, її шлях через напівпрозорий матеріал був заблокований.
Тому зелений лазерний промінь поводиться як об’єкт, створюючи темну лінію в синьому світлі, яке потрапляє на екран з іншого боку рубіна. Ця темна лінія відповідала всім критеріям, щоб бути класифікованою як тінь. Це було видно неозброєним оком; відповідав контурам екрана, на якому він був відлитий; і рухався разом із зеленим лазерним променем, коли лазерне джерело було переміщено.
«Це відкриття розширює наше розуміння взаємодії світла та матерії та відкриває нові можливості для використання світла способами, про які ми раніше не думали», — каже Абрахао.
«Наше розуміння тіней розвивалося рука об руку з нашим розумінням світла та оптики. Це нове відкриття може виявитися корисним у різних застосуваннях, таких як оптичне перемикання, пристрої, у яких світло контролює присутність іншого світла, або технології, які вимагають точний контроль пропускання світла, як лазери високої потужності». Дослідження було прийнято для публікації в Optica, і його можна знайти на сайті попередньої публікації arXiv.