Физики научились жонглировать каплями с помощью лазера

Наблюдаемое на практике движение капель (слева) и результаты численных расчетов (справа)

Albert Bae et al. / Physical Review Letters, 2019

Физики из Швеции и Германии неожиданно открыли, что микрометровые глицериновые капли, подвешенные с помощью лазерного пучка, попадают на стабильные орбиты неправильной формы, причем форма орбит напоминает траектории шаров жонглера. Кроме того, ученые качественно объяснили это явление и построили его модель. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Впервые гипотезу о том, что свет может разгонять небольшие частицы вещества, высказал еще в середине XVII века Иоганн Кеплер. Наблюдая за кометами, Кеплер заметил, что хвосты комет всегда направлены от Солнца, и предположил, что их отталкивают солнечные лучи. В середине XIX века Джеймс Максвелл построил теорию электромагнитного излучения, которая предсказывала, что световое давление действительно существует, а в конце того же века русский физик Петр Лебедев впервые измерил эту силу на практике. В 80-х годах прошлого века физики снова заинтересовались солнечным давлением благодаря работам Артура Эшкина, придумавшего оптический пинцет — устройство, которое позволяет точно и аккуратно перемещать микрометровые объекты (в том числе живые клетки) с помощью лазера. В настоящее время ученые-экспериментаторы широко используют оптический пинцет, и в прошлом году Эшкин получил за свою разработку Нобелевскую премию.

Тем не менее, далеко не все открытия Эшкина, сделанные во время работы над оптическим пинцетом, хорошо известны. Например, в 1975 году физик обнаружил, что микрометровые капли жидкости, подвешенные в воздухе с помощью лазерного луча, притягиваются друг к другу и слегка соприкасаются, прежде чем слиться. К сожалению, технические ограничения не позволили ученому подробно изучить этот процесс, и он предложил будущим поколениям исследовать слияние капель с помощью скоростной съемки. Несколько лет назад физики вспомнили про этот опыт и попытались его повторить, заменив для удобства капли жидкости кремниевыми шариками. В частности, группа под руководством Джереми Мура (Jeremy Moore) наблюдала за колебаниями шариков в течение двух минут. Тем не менее, определить траекторию частиц ученым не удалось.

Группа исследователей под руководством Келкена Чана (Kelken Chang) впервые засняла движение микрочастиц, подвешенных в лазерном пучке, с хорошим пространственным и временным разрешением. Это позволило восстановить траектории частиц. Неожиданно оказалось, что вместо того, чтобы периодически притягиваться и отталкиваться, частицы «танцуют», то есть циклически движутся по неправильным траекториям вокруг общего центра. По словам ученых, форма орбит напоминает бобы или траекторию шаров жонглера.

Схема эксперимента, который поставили ученые, напоминала схему эксперимента Эшкина. Чтобы подвесить частицы в воздухе, ученые фокусировали пучок линейно поляризованного лазера длиной волны 532 нанометра (зеленый цвет) и мощностью около одного ватта; толщина пучка составляла чуть меньше миллиметра, а его интенсивность придерживалась распределения Гаусса (выше всего в центре, ниже всего около краев). Чтобы компенсировать силу тяжести, физики направляли пучок вверх. С помощью сопла, которое контролировалось с помощью пьезоэлектрического моторчика, физики рассеивали над лазером заряженные капли жидкости (смесь 90 процентов воды и 10 процентов глицерина). Под действием силы тяжести капли постепенно оседали, пока часть из них не попадала в фокус пучка и не начинала левитировать. Характерный размер капель, подвешенных в пучке, составлял примерно 28±2 микрометра. Чтобы отследить траекторию частиц, ученые подсвечивали установку светодиодом и наблюдали за тенями частиц с помощью удаленного микроскопа (long-distance microscope). Это движение физики записывали на камеру с частотой около 45 тысяч кадров в секунду и пространственным разрешением порядка 1,7 микрометров на пиксель. Чтобы уменьшить погрешность измерений, ученые установили перед микроскопом фильтр, который отсеивал свет подвешивающего лазера, рассеянный на частицах.


Когда в пучок лазера попадали сразу две капли, они начинали притягиваться и в конце концов сталкивались. Если столкновение было лобовым, капли прыгали вниз по лучу и практически сразу сливались в более крупную каплю, которая зависала на новой высоте. Если же столкновение было касательным, капли попадали на «танцующую» орбиту. В среднем капли были удалены примерно на один диаметр, частота их вращения составляла примерно 30 герц. Несмотря на то, что подвешенные в воздухе капли подвержены температурным колебаниям, их траектории оставались стабильными в течение почти 30 минут (около 60 тысяч обращений). Наконец, траектории капель всегда лежали в плоскости, содержащей ось пучка и перпендикуляр к начальному вектору его поляризации — следовательно, движением капель можно было управлять, изменяя поляризацию лазера.

Качественно поведение капель можно объяснить следующим образом. Когда одна из капель оказывается под другой, она экранирует электромагнитное поле пучка и ослабляет его интенсивность, поэтому верхняя капля ускоренно падает вниз под действием силы тяжести. Кроме того, она отталкивается от центра пучка, поскольку интенсивность света на краю «тени» нижней капли выше, чем в ее центре. Когда капли оказываются на одинаковой высоте, та капля, которая находится ближе к центру, поднимается (интенсивность в центре пучка выше, чем около краев), а вторая притягивается к центру пучка за счет градиентной силы. После этого цикл повторяется.


Помимо качественного объяснения происходящих процессов, физики разработали модель «жонглирования». Для этого они учли силы, действующие на капли: силу тяжести, давление света, электростатическое отталкивание и гидродинамическое сопротивление, — а затем выписали и проинтегрировали уравнение движения частицы. В результате исследователи получили траектории, которые практически совпадали с экспериментом.


Исследователи отмечают, что описанный ими эффект скорее всего бесполезно применять на практике. «Нет ничего важного в том, чтобы заниматься лазерным жонглированием», — говорит Чан. «Тем не менее, мы были рады, когда сделали это удачное открытие, удивились и нашли для него простое объяснение».

Несмотря на то, что лазерное жонглирование микрочастицами не имеет никакого практического значения, эксперименты со светом часто оказываются полезными. Например, с помощью лазеров можно построить миниатюрный ускоритель частиц. А оптический пинцет в настоящее время применяется в самых разных областях науки — с его помощью можно аккуратно перемещать клетки и собирать их в упорядоченные структуры, точно измерять силу тяги «шагающих белков» и даже проводить химические реакции между отдельными атомами. Кроме того, благодаря оптическому пинцету физики впервые получили бозе-конденсат из холодного атомного газа (Нобелевская премия 1997 года), что впоследствии позволило качественно моделировать такие сложные процессы, как излучение черной дыры или космологическая инфляция.

Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.