Οι φυσικοί ανιχνεύουν την αινιγματική περιστροφική ορμή του φωτός

Από την παρατήρηση του Kepler, τον 17 ο αιώνα, ότι το ηλιακό φως είναι ένας από τους λόγους που η ουρά των κομητών πάντα απομακρύνεται από τον Ήλιο, φαίνεται ότι κατανοήθηκε πως το φως ασκεί πίεση στη κατεύθυνση της διάδοσής του. Η πίεση ακτινοβολίας παράγεται από την ορμή που μεταφέρει το φως και παίζει κρίσιμο ρόλο σε μια ποικιλία συστημάτων, από τις ατομικές μέχρι τις αστρονομικές κλίμακες.

Σε μια σχετικά πρόσφατη θεωρητική μελέτη, μια ομάδα από το Κέντρο Αναδυόμενης Ύλης RIKEN, στην Ιαπωνία, έδειξε ότι η πυκνότητα ορμής [σε ηλεκτρομαγνητικά πεδία, ορμή ανά μονάδα όγκου και είναι ανάλογη με την πίεση ακτινοβολίας] σε μη-ομοιόμορφα οπτικά πεδία έχει ένα ασυνήθιστη συνιστώσα, που είναι κάθετη στη διεύθυνση διάδοσης του φωτός και ανάλογη του οπτικού σπιν, που μετράει το βαθμό της κυκλικής πόλωσης [γραμμική πόλωση-το διάνυσμα του ηλεκτρικού πεδίου ταλαντώνεται συνεχώς (με μεταβαλλόμενο πλάτος) στο ίδιο επίπεδο, κυκλική πόλωση-το άθροισμα των διανυσμάτων δυο (καθέτων) ηλεκτρικών πεδίων (με σταθερό πλάτος) περιστρέφεται κυκλικά, σαν σπείρα, γύρω από τον «άξονα» διάδοσης της φωτεινής δέσμης]. Η ομάδα πρόβλεψε ότι αυτή η ορμή περιστροφής θα μπορούσε να παραγάγει μια εγκάρσια, εξαρτώμενη από την περιστροφή, οπτική δύναμη, με μέτρο λίγες τάξης μεγέθους πιο αδύνατη από ότι η συνήθης πίεση ακτινοβολίας.

Με βάση αυτή τη θεωρητική εργασία, τώρα, μια ομάδα ερευνητών από το RIKEN, το Πανεπιστήμιο του Bristol και άλλα ιδρύματα χρησιμοποίησαν μια εξαιρετικής ακρίβειας τεχνική για να επαληθεύσουν πειραματικά ότι το φως, πράγματι, ασκεί την ιδιαίτερη κάθετη δύναμη, η οποία καθορίζεται από την πόλωση του φωτός. Για να μετρηθεί ο νέος τύπος οπτικής ορμής και η δύναμη, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα εξαιρετικά ευαίσθητο νανο-υποστήριγμα, ικανό για ανάλυση της τάξης femtoNewton [1 fN = 10^-15 N] – που σημαίνει ότι μπορεί να μετρήσει μια δύναμη μικρότερη ακόμη και από τη δύναμη βαρύτητας σε ένα βακτήριο. Το νανο-υποστήριγμα βυθίστηκε σε ένα παροδικό ηλεκτρικό πεδίο-προερχόμενο από ηλεκτρομαγνητικό κύμα, ακριβώς επάνω από μια επιφάνεια γυαλιού ολικής εσωτερικής ανάκλασης.

«Τα ευρήματά μας επανεξετάζουν βασικές ιδιότητες της ορμής του φωτός και ανακαλύπτοντας ένα νέο τύπο οπτικής δύναμης, εμπλουτίζουν την οπτική μηχανική», δηλώνει ένα από τα μέλη της συγγραφικής ομάδας της μελέτης. Ενώ ένα ακόμη – κοιτώντας προς το μέλλον – διατυπώνει την άποψη ότι ο έρευνες της ομάδας προσφέρουν ένα νέο παράδειγμα το οποίο θα μπορούσε να παρέχει νέα βαθιά γνώση σε μια ποικιλία φαινομένων: από την εφαρμοσμένη οπτική μέχρι τη φυσική υψηλής ενέργειας.

Πηγή: RIKEN

Περισσότερα στην εργασία: Direct measurements of the extraordinary optical momentum and transverse spin-dependent force using a nano-cantilever, Nature Physics