Ученые ТПУ создали новый метод получения «фотонных крючков» на основе замерзающей капли воды

Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) разработали новый способ получения "фотонных крючков", свойства которых могут меняться во времени. Этот метод основан на использовании замерзающей капли воды, которую освещают лазерным излучением.

"Фотонный крючок" — это новый тип искривленного самоускоряющегося светового луча характерной формы. В 2019 году исследователи ТПУ совместно с коллегами из России, США и Великобритании экспериментально подтвердили его эффект. Свойства "фотонного крючка" делают его перспективным для применения в микроскопах со сверхразрешением и биологических исследованиях, где требуется управление молекулами.

Как работает новый метод?

"Фотонный крючок" обычно создается при прохождении света через частицу диэлектрика ассиметричной формы. Электромагнитная волна при этом "распадается" на две части: одна проходит через материал диэлектрика с одними оптическими свойствами и формой, вторая — через другой материал. На выходе волны "сливаются" и итоговый пучок искривляется.

Ученые использовали для создания крючка замерзающую каплю воды, помещенную на охлаждаемую подложку и освещенную лазерным лучом. Капля в процессе замерзания состоит из двух материалов — воды и льда. У них близкие, но разные оптические свойства — показатель преломления. Замерзающая мезомасштабная капля воды позволяет сфокусировать оптический луч в ее теневой части в "фотонный крючок" различной кривизны, несмотря на низкий оптический контраст между водой и льдом.

Меняя размер капли, тип поверхности, на которой она расположена, различные сценарии замерзания сферической капли воды, можно регулировать параметры замерзания капли. В этом случае время замораживания можно рассматривать как один из параметров динамического управления характеристиками фотонного крючка.

Применение нового метода

На следующем этапе исследования политехники планируют провести ряд экспериментов, направленных на более глубокое понимание физики процесса. Это позволит определить области применения самоизгибающихся фотонных крючков на основе замерзающей капли воды.

Ученые предполагают, что их можно использовать в так называемой "зеленой" мезотронике, оптомеханике, оптических датчиках и устройствах, изготовленных из природной жидкости. "Зеленая" электроника, в отличие от кремниевой, экологически более дружественна — за счет использования органических, достаточно быстро разлагаемых материалов.

Ранее составители отчета Глобального мониторинга электронных отходов ООН за 2020 год прогнозировали, что количество произведенных в мире за последние 16 лет электронных отходов увеличится практически в два раза к 2030 году и составит около 74,7 млн тонн. Электронные отходы, содержащие токсичные добавки или опасные вещества, включая ртуть, несут в себе серьезную угрозу для окружающей среды и здоровья человека.

Выводы

Новый метод получения "фотонных крючков" на основе замерзающей капли воды может применяться в различных областях, связанных с оптикой и электроникой. Это позволит создавать более экологически чистые устройства и избежать негативных последствий использования токсичных материалов. Дальнейшие исследования позволят расширить область применения "фотонных крючков" и повысить эффективность их использования.