Duha polapená v zrcadle motýlích křídel

pondělí 30. listopad 2009 00:33

Za školních lavic si možná pamatujete, že při dopadu světla na zrcadlo je úhel odrazu roven úhlu dopadu. Ale takhle přesně to platí jen pro odraz světla od nevodivých materiálů, jako je např. sklo. Pokud světlo prochází sklem a odráží se od jeho vnitřního povrchu na principu totálního odrazu, začínají se uplatňovat i kvantové jevy - paprsek nepatrně prochází do vzduchu (fotony tunelují do evanescentních vln mimo sklo) a odražený paprsek je nepatrně (o 10 - 1000 nm) posunut ve směru paprsku. Tento posun byl objeven asi před šedesáti lety a je znám pod názvem Goos-Häenchenův jev.

Odraz světla od skla zvenčí, zvnitřku a od povrchu kovu

K ještě zajímavější situaci dochází při odrazu světla od kovové vrstvy. V tom případě světlo proniká mezi elektrony roztýlené v kovu a interaguje s nimi tak, že elektrony v kmitají v protifázi se světelnou vlnou a způsobují drobný posun odraženého světla směrem proti směru šíření paprsku - vrstvička kovu se chová, jako kdyby rychlost světla a tedy i index lomu v povrchové vrstvě nabývaly záporných hodnot, čili jako tzv. metamateriál.    

Šíření světla štěrbinou tvořenou materiálem s kladným a záporným indexem lomu

Uvedený jev má široké praktické využití, protože metamateriály se mohou použít jako tzv. fotonická zrcadla, fungujících na podobném principu jako kovově lesklé krovky brouků zlatohlávků a šupinky motýlích křidel. Tato zrcadla odrážejí světlo různých barev různě a proto září všemi možnými barvami. Jelikož světlo proniká do zrcadla různě hluboko podle své vlnové délky, nad povrchem fotonického zrcadla dochází k jeho rozkladu na barevné spektrum ("zachycená duha"). Pokud světlo putuje zužující se štěrbinou tvořenou kovovou vrstvou nebo obklopenou metamateriálem, část světla se nakonec "zastaví" v různé vzdálenosti od nejužšího místa štěrbiny a lze jej zde vyhodnotit např. CCD kamerou - což v principu umožňuje zkonstruovat např. miniaturizovaný spektrograf integrovaný na křemíkovém čipu. Ještě zajímavejší je však využití "stojícího" světla v optoelektronice - např. pro výrobu tzv. kvantových optických pamětí.

 Vznik zužující se štěrbiny mezi plochou čočkou a sklíčkemPozlacená čočka na pozlaceném sklíčku - světlo laseru dopadá zprava z boku

Naznačený princip lze překvapivě jednoduše ověřit, což se nedávno povedlo skupině amerických výzkumníků ruského původu z Towsonovy univerzity. Pro přípravu zužující se štěrbiny využili uspořádání vedoucí ke známým Newtonovým difrakčním kroužkům, které často zlobí fotografy při skenování negativů. Je tvořeno plochou čočkou položenou na rovné skleněné destičce, povrchy čočky i destičky jsou pokoveny tenkou vrstvou zlata, aby odrážely světlo a povrch vzniklé  klínovitě se zužující štěrbiny získal záporný index lomu. Čočka se při pokusu neprosvěcuje kolmo, ale vícebarevným laserem se svítí vodorovně přímo do štěrbiny vzniklé mezi destičkou a čočkou. Světlo do štěrbinky proniká různě hluboko podle své vlnové délky a při pozorování zeshora pomocí mikroskopu vytvoří obrazec podobný Newtonovým kroužkům (viz obr. níže).

Pohled do mikroskopu v ose čočky

Ale tato podoba je jen zdánlivá: když si proužky prohlédnete pozorněji, můžete si všimnout, že se barvy vzájemně nestřídají jako v duze. Namísto toho se navzájem překrývají a každá z barev se odráží samostatně v různé vzdálenosti od středu štěrbiny, která se při tomto pokusu chová jako jednorozměrné fotonické zrcadlo. Popsané uspořádání zahrnuje pouze pozlacená sklíčka a běžný optický mikroskop se dvěma lasery různé barvy a tak našim vědcům ukazuje, že pro publikování dobrého nápadu ve špičkovém časopisu Nature občas stačí docela jednoduché a levné vybavení. Obávám se však, že využití tohoto jevu v optických počítačích už tak snadné ani levné nebude a že zde fyziky ještě čeká hodně trpělivé práce.  

Creative Commons License
Blog, jehož autorem je Milan Petřík, podléhá licenci Creative Commons Uveďte autora-Neužívejte dílo komerčně-Zachovejte licenci 3.0 Česko.

Milan Petřík

bfAIXZqHRDADSsBhExuhypKGWNqYxmhdQboee04:0717.7.2011 4:07:43
AWpwRITbyRojWYGVPXuHWgAseM05:5415.7.2011 5:54:26
PetrikDalší článek k tomuto tématu03:5030.11.2009 3:50:58

Počet příspěvků: 4, poslední 17.7.2011 4:07:43 Zobrazuji posledních 4 příspěvků.

Milan Petřík

Milan Petřík

Aktuality a postřehy ze světa vědy

Astronomie, fyzika

REPUTACE AUTORA:
0,00

Seznam rubrik