Твитнуть
Электромагнитная природа света подтверждена окончательно. Лишь в 2009 году физики создали методику, способную измерить колебания магнитной компоненты света. Их работа пригодится для создания шапок-невидимок и других чудес нанооптики.
Уже почти полтора века назад человечеству стало ясно, что свет — электромагнитная волна. Первым об этом догадался Максвелл: когда он получил волнообразное решение своих знаменитых уравнений и вычислил скорость этих волн, получилось значение, очень близкое к измеренной на тот момент скорости света. Шотландец немедленно предположил, что свет и есть электромагнитная волна, а частота ее колебаний определяет свойства, в первую очередь цвет света (к тому моменту были известны лишь два вида световых лучей – видимые и инфракрасные).
В любом учебнике физики написано, что электромагнитная волна, будь то радиоволны, свет или жесткое рентгеновское излучение, представляет собой пару электрического и магнитного полей, которые непрерывно превращаются друг в друга и тем самым поддерживают распространение волны. Электрический и магнитный векторы направлены перпендикулярно друг другу и направлению распространения волны и непрерывно осциллируют, поддерживая друг друга.
Электричество заметнее магнетизма
Может показаться невероятным, но на деле такое представление о свете экспериментальной проверке до сих пор не подвергалось. Конечно, в конце XIX века, вскоре после смерти Максвелла, немец Генрих Герц смог получить подобную волну гораздо меньшей частоты (выражаясь современным языком, это были радиоволны УКВ-диапазона) и тем самым доказал существование предсказанных Максвеллом волн.
Тем не менее, что касается непосредственно света, то наличие в этих волнах магнитной составляющей до сих пор экспериментально не было показано. Тому есть простая причина: электрическая составляющая волны хоть и несет такую же энергию, как магнитная, гораздо охотнее передает ее заряженным частицам. А именно на воздействии на заряженные частицы в конечном счете основаны все детекторы света – хоть ультрамодная ПЗС-матрица, хоть человеческий глаз.
Чтобы «почувствовать» магнитную составляющую световой волны, частица должна двигаться, и чем быстрее она движется, тем лучше. Лишь при скорости, близкой к скорости света, влияние электрической и магнитной составляющих сравнивается. Однако даже легчайшие электроны движутся вокруг атомных ядер со скоростью существенно меньшей, чем скорость света, а потому в большинстве случаев электрическая сила безоговорочно доминирует. Ваша свадебная фотография, видеозапись первых шагов вашего ребенка и комфортное чтение вот этих самых букв – все это проявления работы именно электрической, а не магнитной силы.
Генрих Герц в миниатюре
В 2009 году, через 130 лет после кончины Максвелла, его предположения о природе света наконец подтверждены окончательно. К публикации в американском журнале Science принята статья группы голландских физиков под руководством Маттео Буррези из Института атомной и молекулярной физики в Амстердаме, которым наконец удалось зафиксировать и измерить магнитную составляющую световой волны. Публикация в престижном журнале – превосходный подарок к завершению аспирантуры: диссертацию Буррези защитил буквально неделю назад.
Оборудование и методика, которыми пользовались голландцы, удивительным образом похожи на те, с чьей помощью Герц создал первые рукотворные электромагнитные волны. Чтобы доказать волновую природу генерируемых электрическим разрядом сигналов, он создал так называемую стоячую волну, «заперев» ее между двух цинковых зеркал. А детектировал электромагнитное поле Герц с помощью металлического кольца с прорезью, в котором волна разгоняла ток; если он был достаточно сильным, в прорези проскакивала искра, которую и наблюдал немецкий физик.
Буррези также использовал стоячую волну и кольцо с прорезью, только микроскопических размеров, в тысячи раз тоньше человеческого волоса. В роли кольца выступало металлическое покрытие на кончике зонда сканирующего микроскопа, а прорезь в нем, ширина которой всего 40 нанометров, пришлось вытравливать сфокусированным потоком ионов. Ученые опустили зонд в 20 нм от волновода, где распространялся лазерный луч с длиной волны 1550 нм; это ближний инфракрасный диапазон, и для работы с таким светом используются технологии оптики, а не радиофизики.
Методика измерений довольно сложна, однако в результате у авторов не осталось сомнений – их зонд измерил именно магнитное поле волны. И его поведение оказалось ровно таким, какое предсказывают уравнения Максвелла.
Наноневидимки
Разумеется, в том, что свет — электромагнитная волна, никто из физиков и так не сомневался. Однако детектированием магнитного поля световой волны ученые продемонстрировали способность измерять ничтожные поля, осциллирующие с гигантскими частотами, характерными для оптического диапазона.
Такой контроль свойств электромагнитного поля просто необходим, если мы всерьез настроены создавать «шапки-невидимки», сверхразрешающие линзы и прочие чудеса, которые нам обещает создание метаматериалов, работающих в оптическом диапазоне. Пока же обещания теории метаматериалов, в том числе и знаменитую шапку-невидимку, которая полностью скрыла цилиндрический объект, заставив электромагнитные волны обтекать его, удалось воплотить в жизнь лишь в радиодиапазоне и микроволнах.
Для перехода в оптический диапазон принципиальных ограничений нет, однако до сих пор ученые не могли контролировать электрические и магнитные свойства с точностью, необходимой для оптических метаматериалов. Создание таких материалов – это нанотехнологии высшего разряда. И оборудование, и методика, созданные Буррези и его коллегами – ровно то, что нужно для таких измерений.
Методика измерений
Чтобы измерить магнитное поле световой волны, ученые возбуждали вторичную световую волну колебаниями магнитного вектора стоячей волны в окрестности волновода и измеряли ее фазу интерферометрическим способом.
Несмотря на то что лазерный луч двигался по волноводу, снаружи от него также распространялось электромагнитное поле той же частоты. Такие волны называют неоднородными, и зафиксировать их крайне сложно, потому что амплитуда неоднородной волны очень быстро падает с удалением от границы волновода. Именно это электромагнитное поле и создавало стоячую волну внутри зонда микроскопа (в качестве «зеркал» вместо цинковых листов Герца работали внутренняя поверхность зонда и граница волновода).
Стоячая электромагнитная волна несколько отличается от волны бегущей, это связано с отличиями в граничных условиях и в конечном счете взаимодействием электрического и магнитного полей с проводниками («зеркалами»). В стоячей волне пики колебаний электрического и магнитного полей отличаются – там, где у магнитного поля пучность, у электрического узел, и наоборот (у бегущей волны максимумы и минимумы электрического и магнитного полей пространственно совпадают). Именно это и позволило перемещая зонд измерять то магнитное, то электрическое поле исходной волны.
Для измерения поля ученые воспользовались своим «кольцом с прорезью». Что магнитное, что электрическое поля заставляют заряды в кольце перемещаться, но благодаря прорези токовый контур остается незамкнутым, что приводит к перераспределению заряда: свободные электроны собираются то с одного бока кольца, то с другого, причем туда-сюда заряды бегают с частотой внешнего поля, то есть световой волны. Такое перемещение в итоге порождает еще одну волну – той же частоты, но необязательно той же фазы: фаза зависит от того, где расположен зонд.
Эта волна далее смешивалась с опорной волной, прежде выделенной из того же лазерного луча, что уходит в волновод, с помощью полупрозрачного зеркала. Добавка, которую дает волна от зонда, влияет на интенсивность света благодаря интерференции волн одинаковой частоты. Перемещение зонда, таким образом, делало сигнал то слабее, то сильнее, и фаза этих колебаний позволяла понять, какое поле измеряется.
Описанная схема является упрощенной и не учитывает поляризацию волн. Полное описание можно найти в указанной в тексте статье в Science и методическом приложении к ней.
Уже почти полтора века назад человечеству стало ясно, что свет — электромагнитная волна. Первым об этом догадался Максвелл: когда он получил волнообразное решение своих знаменитых уравнений и вычислил скорость этих волн, получилось значение, очень близкое к измеренной на тот момент скорости света. Шотландец немедленно предположил, что свет и есть электромагнитная волна, а частота ее колебаний определяет свойства, в первую очередь цвет света (к тому моменту были известны лишь два вида световых лучей – видимые и инфракрасные).
В любом учебнике физики написано, что электромагнитная волна, будь то радиоволны, свет или жесткое рентгеновское излучение, представляет собой пару электрического и магнитного полей, которые непрерывно превращаются друг в друга и тем самым поддерживают распространение волны. Электрический и магнитный векторы направлены перпендикулярно друг другу и направлению распространения волны и непрерывно осциллируют, поддерживая друг друга.
Электричество заметнее магнетизма
Может показаться невероятным, но на деле такое представление о свете экспериментальной проверке до сих пор не подвергалось. Конечно, в конце XIX века, вскоре после смерти Максвелла, немец Генрих Герц смог получить подобную волну гораздо меньшей частоты (выражаясь современным языком, это были радиоволны УКВ-диапазона) и тем самым доказал существование предсказанных Максвеллом волн.
Тем не менее, что касается непосредственно света, то наличие в этих волнах магнитной составляющей до сих пор экспериментально не было показано. Тому есть простая причина: электрическая составляющая волны хоть и несет такую же энергию, как магнитная, гораздо охотнее передает ее заряженным частицам. А именно на воздействии на заряженные частицы в конечном счете основаны все детекторы света – хоть ультрамодная ПЗС-матрица, хоть человеческий глаз.
Чтобы «почувствовать» магнитную составляющую световой волны, частица должна двигаться, и чем быстрее она движется, тем лучше. Лишь при скорости, близкой к скорости света, влияние электрической и магнитной составляющих сравнивается. Однако даже легчайшие электроны движутся вокруг атомных ядер со скоростью существенно меньшей, чем скорость света, а потому в большинстве случаев электрическая сила безоговорочно доминирует. Ваша свадебная фотография, видеозапись первых шагов вашего ребенка и комфортное чтение вот этих самых букв – все это проявления работы именно электрической, а не магнитной силы.
Генрих Герц в миниатюре
В 2009 году, через 130 лет после кончины Максвелла, его предположения о природе света наконец подтверждены окончательно. К публикации в американском журнале Science принята статья группы голландских физиков под руководством Маттео Буррези из Института атомной и молекулярной физики в Амстердаме, которым наконец удалось зафиксировать и измерить магнитную составляющую световой волны. Публикация в престижном журнале – превосходный подарок к завершению аспирантуры: диссертацию Буррези защитил буквально неделю назад.
Оборудование и методика, которыми пользовались голландцы, удивительным образом похожи на те, с чьей помощью Герц создал первые рукотворные электромагнитные волны. Чтобы доказать волновую природу генерируемых электрическим разрядом сигналов, он создал так называемую стоячую волну, «заперев» ее между двух цинковых зеркал. А детектировал электромагнитное поле Герц с помощью металлического кольца с прорезью, в котором волна разгоняла ток; если он был достаточно сильным, в прорези проскакивала искра, которую и наблюдал немецкий физик.
Буррези также использовал стоячую волну и кольцо с прорезью, только микроскопических размеров, в тысячи раз тоньше человеческого волоса. В роли кольца выступало металлическое покрытие на кончике зонда сканирующего микроскопа, а прорезь в нем, ширина которой всего 40 нанометров, пришлось вытравливать сфокусированным потоком ионов. Ученые опустили зонд в 20 нм от волновода, где распространялся лазерный луч с длиной волны 1550 нм; это ближний инфракрасный диапазон, и для работы с таким светом используются технологии оптики, а не радиофизики.
Методика измерений довольно сложна, однако в результате у авторов не осталось сомнений – их зонд измерил именно магнитное поле волны. И его поведение оказалось ровно таким, какое предсказывают уравнения Максвелла.
Наноневидимки
Разумеется, в том, что свет — электромагнитная волна, никто из физиков и так не сомневался. Однако детектированием магнитного поля световой волны ученые продемонстрировали способность измерять ничтожные поля, осциллирующие с гигантскими частотами, характерными для оптического диапазона.
Такой контроль свойств электромагнитного поля просто необходим, если мы всерьез настроены создавать «шапки-невидимки», сверхразрешающие линзы и прочие чудеса, которые нам обещает создание метаматериалов, работающих в оптическом диапазоне. Пока же обещания теории метаматериалов, в том числе и знаменитую шапку-невидимку, которая полностью скрыла цилиндрический объект, заставив электромагнитные волны обтекать его, удалось воплотить в жизнь лишь в радиодиапазоне и микроволнах.
Для перехода в оптический диапазон принципиальных ограничений нет, однако до сих пор ученые не могли контролировать электрические и магнитные свойства с точностью, необходимой для оптических метаматериалов. Создание таких материалов – это нанотехнологии высшего разряда. И оборудование, и методика, созданные Буррези и его коллегами – ровно то, что нужно для таких измерений.
Методика измерений
Чтобы измерить магнитное поле световой волны, ученые возбуждали вторичную световую волну колебаниями магнитного вектора стоячей волны в окрестности волновода и измеряли ее фазу интерферометрическим способом.
Несмотря на то что лазерный луч двигался по волноводу, снаружи от него также распространялось электромагнитное поле той же частоты. Такие волны называют неоднородными, и зафиксировать их крайне сложно, потому что амплитуда неоднородной волны очень быстро падает с удалением от границы волновода. Именно это электромагнитное поле и создавало стоячую волну внутри зонда микроскопа (в качестве «зеркал» вместо цинковых листов Герца работали внутренняя поверхность зонда и граница волновода).
Стоячая электромагнитная волна несколько отличается от волны бегущей, это связано с отличиями в граничных условиях и в конечном счете взаимодействием электрического и магнитного полей с проводниками («зеркалами»). В стоячей волне пики колебаний электрического и магнитного полей отличаются – там, где у магнитного поля пучность, у электрического узел, и наоборот (у бегущей волны максимумы и минимумы электрического и магнитного полей пространственно совпадают). Именно это и позволило перемещая зонд измерять то магнитное, то электрическое поле исходной волны.
Для измерения поля ученые воспользовались своим «кольцом с прорезью». Что магнитное, что электрическое поля заставляют заряды в кольце перемещаться, но благодаря прорези токовый контур остается незамкнутым, что приводит к перераспределению заряда: свободные электроны собираются то с одного бока кольца, то с другого, причем туда-сюда заряды бегают с частотой внешнего поля, то есть световой волны. Такое перемещение в итоге порождает еще одну волну – той же частоты, но необязательно той же фазы: фаза зависит от того, где расположен зонд.
Эта волна далее смешивалась с опорной волной, прежде выделенной из того же лазерного луча, что уходит в волновод, с помощью полупрозрачного зеркала. Добавка, которую дает волна от зонда, влияет на интенсивность света благодаря интерференции волн одинаковой частоты. Перемещение зонда, таким образом, делало сигнал то слабее, то сильнее, и фаза этих колебаний позволяла понять, какое поле измеряется.
Описанная схема является упрощенной и не учитывает поляризацию волн. Полное описание можно найти в указанной в тексте статье в Science и методическом приложении к ней.
Комментарий