100kitov.ru

Интересные факты — события, биографии людей, психология
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Созданы световые лучи, проникающие через непрозрачные материалы

Лазерный мир

Ученые создают световые волны, которые могут проникать в непрозрачные материалы

Исследователям из Венского технологического университета и Утрехтского университета удалось проникнуть в непрозрачный материал с помощью специальных световых волн, как будто этого материала вообще не существовало! Звучит почти как научная фантастика, но это реальность. С помощью специальных световых волн непрозрачные объекты могут стать прозрачными – по крайней мере, для этих световых волн. Свет обычно не может проникать через определенные материалы или только в ограниченной степени, потому что рассеивается, изменяется и отклоняется. Но международной команде исследователей удалось показать, что существует класс совершенно особых световых волн, для которых непрозрачных объектов словно нет в природе. Это означает, что для «любой конкретной неупорядоченной среды» – будь то кусочек сахара или стакан молока – могут быть созданы индивидуальные ослабленные (но не измененные) световые лучи.

Особый класс световых волн

Ученые полагают, что световые волны – точно так же, как рябь на поверхности воды – могут принимать бесконечное множество разнообразных форм. Как объясняют авторы исследования, недавно опубликованного в журнале Nature Photonics, каждый из этих паттернов световых волн изменяется и отклоняется очень специфическим образом, когда вы посылаете его через неупорядоченную среду.

Работая над математическими методами описания таких эффектов рассеяния света, международная команда ученых использовала в качестве светорассеивающей среды слой оксида цинка – непрозрачного белого порошка из совершенно беспорядочно расположенных наночастиц. На этот слой ученые направили специфические световые сигналы, что позволило измерить как они попадают в детектор позади него. Результаты эксперимента позволяют не только сделать вывод о том, как среда изменяет любые другие волны, но также точно рассчитать, какие волновые паттерны будут изменены слоем оксида цинка, как если бы он вообще не рассеивал волны.

Свет одновременно ведет себя как частица и как волна.

В общем и целом полученные результаты показали, что существует совершенно особый класс световых волн, которые производят точно такую же волновую картину на детекторе, независимо от того, посылается ли световая волна через воздух или должна проникнуть через сложный слой оксида цинка. Примечательно, что «оксид цинка на самом деле не меняет форму этих световых волн – они просто становятся немного слабее в целом».

Свет вместо рентгеновских лучей

Интересно и то, что теперь мы сами можем выбирать какое изображение отправить через объект без помех. Для эксперименты ученые выбрали в качестве примера созвездие Большой Медведицы. И действительно, удалось определить инвариантную к рассеянию волну, которая посылает на детектор изображение Большой Медведицы, вне зависимости от того, рассеивается ли световая волна слоем оксида цинка или нет. Для детектора световой луч в обоих случаях выглядит почти одинаково. В будущем, как отмечают авторы научной работы, этот метод может революционизировать некоторые исследования материалов, особенно в биологических и медицинских экспериментах. Сегодня, чтобы заглянуть внутрь человеческого тела, врачи используют рентгеновские лучи, которые имеют более короткую длину волны и поэтому могут проникать сквозь кожу.

«Но то, как световая волна проникает в объект, точно зависит не только от длины волны, но и от формы волны, – отмечает Маттиас Кюмайер, из Венского технического университета в интервью Phys.org.

Читайте так же:
Что такое каменные реки?

В 2017 году ученые пришли к выводу, что лазерная технология может сделать объекты невидимыми.

Итак, если вы хотите сфокусировать свет внутри объекта в определенных точках, метод, предложенный учеными, открывает совершенно новые возможности. Судите сами – им удалось показать, что распределение света внутри слоя оксида цинка также можно специально контролировать. Например, его можно было бы использовать для биологических экспериментов, чтобы заставить свет проникать в очень специфические точки, что позволит ученым заглянуть глубоко внутрь клеток. Отметим, что в 2017 году ученые разработали технологию маскировки, которая может сделать непрозрачные материалы невидимыми с помощью световых волн от лазеров. Совершенно непрозрачный материал облучается сверху специфическим волновым рисунком – с таким эффектом, что световые волны слева могут проходить через материал без каких-либо препятствий. По мнению ученых, этот метод может быть применен к различным видам волн и должен работать со звуковыми волнами так же хорошо, как и со световыми.

Созданы специальные световые волны, способные проникать в непрозрачные материалы.

Луч света проходит через турбулентную среду и отображает на детекторе то же изображение, которое будет обнаружено без среды. Предоставлено: Аллард Маск / Матиас Кохмайер.

Исследователи из Утрехтского университета и Венского технического университета (Вена) создают специальные световые волны, которые могут проникать даже в непрозрачные материалы, как если бы материала там не было.

Почему сахар непрозрачный? Потому что свет, проникающий через кусок сахара, очень сложным образом рассеивается, изменяется и отклоняется. Однако, поскольку исследовательская группа из Венского технического университета (Вена) и Утрехтского университета (Нидерланды) смогла продемонстрировать, существует класс очень особых световых волн, к которым это не относится: для любой конкретной турбулентной среды — например, сахара. куб, который вы, возможно, только что положили в свой кофе — Эта среда может создавать специально разработанные световые лучи, которые практически не изменяются, но только ослабляются. Луч света проникает в середину, а световой узор на другой стороне имеет такую ​​же форму как будто медиума вообще нет.

Идея «фиксированных схем рассеяния света» также может быть использована для особого изучения внутренней части объектов. Результаты опубликованы в журнале. Природа Фотоника.

Луч света без рассеяния

Для сравнения: луч света без рассеяния. Предоставлено: Аллард Маск / Матиас Кохмайер.

Астрономическое количество возможных форм волны

Волны на турбулентной водной поверхности могут принимать бесконечное количество различных форм — аналогичным образом световые волны могут иметь бесчисленное множество различных форм. «Каждый образец световых волн изменяется и отклоняется очень специфическим образом, когда вы посылаете его через неорганизованную среду», — объясняет профессор Стефан Руттер из Института теоретической физики в Венском университете.

Стефан Раттер и его команда разрабатывают математические методы для описания эффектов рассеяния света. Команда, окружавшая профессора Алларда Маска из Утрехтского университета, предоставила знания, необходимые для создания и описания таких сложных оптических полей. «В качестве светорассеивающей среды мы использовали слой оксида цинка — непрозрачный белый порошок, состоящий из совершенно случайных наночастиц», — объясняет Аллард Маск, руководитель группы экспериментальных исследований.

Читайте так же:
Как и из чего делают газировку? Описание, фото и видео

Во-первых, вы должны четко различать этот слой. Вы пропускаете очень специфические световые сигналы через порошок оксида цинка и измеряете, как они достигают расположенного за ним детектора. Отсюда вы можете сделать вывод, как эта среда изменила любую другую волну — в частности, вы можете вычислить волновую картину, измененную этим слоем оксида цинка, как если бы рассеяние волн в этом слое полностью отсутствовало.

« Как мы смогли показать, существует совершенно особый класс световых волн — так называемые статические режимы рассеянного света, которые создают точно такую ​​же волновую картину в детекторе, независимо от того, проходила ли световая волна только через воздух проникает в сложный слой оксида цинка », — говорит Стефан Руттер. «В ходе эксперимента мы видим, что оксид цинка на самом деле вообще не меняет форму этих световых волн — в целом они становятся немного слабее», — объясняет Аллард Маск.

Созвездие звезды в светоприемнике

Поскольку эти неизменные виды света различны и редки, с теоретически возможным бесконечным числом световых волн, все же можно найти многие из них. И если вы правильно скомбинируете несколько из этих неизменных режимов света, вы снова получите неизменную форму волны рассеяния.

«Таким образом, по крайней мере, в определенных пределах, вы можете совершенно свободно выбирать, какое изображение вы хотите отправить через объект без помех», — говорит Йерун Бош, который работал над экспериментом в качестве аспиранта. ученик. «Для эксперимента мы выбрали созвездие в качестве примера: Большая Медведица. Действительно, было возможно определить волну статического рассеяния, которая отправляет изображение Большой Медведицы на детектор, независимо от того, рассеивается ли световая волна на детекторе. слой оксида цинка или нет. Примерно так или иначе «.

Загляните внутрь темницы

Этот метод также можно использовать для поиска световых паттернов, которые проникают в объект, не нарушая процедуры визуализации. «В больницах рентгеновские лучи используются, чтобы заглядывать внутрь тела — они имеют более короткую длину волны и поэтому могут проникать через нашу кожу. Но то, как световая волна проникает во что-то, зависит не только от длины волны, но и от формы волны», — говорит Маттиас Кохмайер, который работает. Имеет докторскую степень. Студент компьютерного моделирования распространения волн. «Если вы хотите сфокусировать свет внутри объекта в определенных точках, наш метод открывает совершенно новые возможности. Используя наш подход, также можно специально контролировать распределение света в слое оксида цинка». Это может быть интересно для биологических эксперименты, например, когда вы хотите направить свет в очень определенные точки, чтобы заглянуть глубоко внутрь клеток.

Совместная публикация ученых из Нидерландов и Австрии показывает, насколько важно международное сотрудничество между теорией и опытом для развития этой области исследований.

Ссылка: «Дисперсия фиксированных узоров света в сложных средах» Притам Бэй, Йерун Бош, Маттиас Кохмейер, Стефан Раттер и Аллард П. Маск, 8 апреля 2021 г., Природа Фотоника.
DOI: 10.1038 / s41566-021-00789-9

Что такое рентгеновские лучи?

Если бы наши глаза могли видеть формы электромагнитного излучения, такие как рентгеновские лучи, смотреть на тело людей или животных было бы совершенно фантасмагорическим опытом. Мы могли бы смотреть прямо в кожу и прямо в кости. Возможно, это хорошо, что у нас нет этой способности, но мы все еще пожинаем плоды рентгеновских лучей. Они имеют огромное значение в медицинской диагностике, полезны в научных исследованиях и пригодны для ряда промышленных применений. Прежде чем мы углубимся в детали того, что же такое рентгеновские лучи и как они используются, давайте сначала посмотрим на захватывающую историю открытия рентгеновских лучей.

Читайте так же:
Как делают детскую мебель

Открытие рентгеновских лучей

В 1895 году немецкий физик Вильгельм Рентген проводил эксперимент с катодной трубкой — стеклянным контейнером, в котором пучок электронов освещает флуоресцентную поверхность. Рентген затем обернул картон вокруг трубки, чтобы предотвратить выход флуоресцентного света. Через некоторое время он заметил что-то странное . другой экран снаружи трубки светился!

Другими словами, невидимые лучи просочились через стекло, обошли картон и вышли на экран снаружи. Рентген не смог понять, что это за лучи света, поэтому из-за их неизвестной природы он назвал их рентгеновскими. На самом деле, за открытие рентгеновских лучей Рентген был удостоен первой в истории Нобелевской премии в 1901 году.

Сегодня мы знаем, что происходило в его лаборатории все эти годы назад.

Когда электроны высокой энергии в катодной трубке ударяются о металлический компонент, они либо задерживаются и высвобождают дополнительную энергию, либо запускают электроны из атомов, которых они ударяют, вызывая перестановку, которая также выделяет энергию. В обоих случаях излучаемая энергия имеет вид рентгеновских лучей, типа электромагнитного излучения с большей энергией, чем у видимого света.

Рентгеновские лучи

Проще говоря, рентгеновские лучи — это сверхмощная форма обычного света — волны, которые движутся по прямым линиям со скоростью света, но имеют очень высокую энергию.

Если бы вы могли закрепить рентгеновские лучи на листе бумаги и измерить их, вы бы обнаружили, что длина волны рентгеновского излучения в тысячи раз короче длины волны обычного света. Это означает, что их частота (как часто они колеблются) соответственно выше. Энергия электромагнитных волн напрямую связана с частотой этих волн.

Рентгеновские лучи, являющиеся высокочастотными волнами (в диапазоне от 3 × 10 16 Гц до 3 × 10 19Гц) очень энергичны и поэтому более проницательны, чем обычные световые волны. В результате световые волны имеют ограниченную способность проходить; при ударе твердым (непрозрачным) материалом он перестает двигаться дальше. Тем не менее благодаря своей энергетической природе, рентгеновские лучи могут путешествовать гораздо глубже, чем обычный свет; хотя они могут быть остановлены материалом с очень большим количеством электронов (более высокий атомный номер).

Теперь давайте подробно рассмотрим проникающую способность и ограничения рентгеновских лучей.

Когда дело доходит до обычного света, мы знаем, что некоторые (прозрачные) материалы, такие как стекло или пластик, позволяют световым волнам через них легко проходить. Тем не менее некоторые другие (непрозрачные) материалы, такие как дерево и металл, поглощают световые лучи, не давая им идти дальше. Примерно таким же образом существуют материалы, которые позволяют рентгеновским лучам проходить через них, в то время как другие затрудняют рассеивание рентгеновских лучей через них. Есть даже несколько материалов, которые полностью останавливают рентгеновские лучи. Почему это происходит?

Читайте так же:
Откуда известно, что пластик разлагается 500 лет?

Когда рентгеновские лучи проникают в любой материал, они должны пробиваться сквозь толпу атомов, чтобы выйти с другой стороны материала. Именно электроны представляют собой самую большую проблему для рентгеновских лучей, чтобы пройти через материал. Чем больше электронов, тем труднее становится для рентгеновских лучей путешествовать, поскольку все больше и больше энергии поглощается сталкивающимися электронами материала. Тем не менее рентгеновские лучи достаточно сильны, чтобы пройти через материал с меньшим количеством электронов. Наша кожа, сделанная из молекул на основе углерода, является очень хорошим примером материала, позволяющего обходить рентгеновские лучи. Напротив, когда рентгеновские лучи сталкиваются с сильным материалом со многими электронами (более высокий атомный номер), они блокируются. Свинец (Pb), тяжелый металл с 82 электронами, особенно эффективен для остановки рентгеновских лучей.

Теперь, когда мы понимаем научную основу этой формы электромагнитного излучения, давайте рассмотрим некоторые из наиболее полезных применений рентгеновского излучения.

Применение рентгеновских лучей

Медикаменты

Рентген впервые нашел свое применение в медицине сто лет назад; сегодня миллионы рентгеновских снимков проводятся каждый год по всему миру. Они являются одним из самых полезных инструментов в медицинской науке для диагностики и лечения. Кости и зубы, сделанные в основном из кальция, очень твердые и не позволяют рентгенам проходить через них. Однако наша кожа и мышцы состоят из мягких тканей, состоящих из органических материалов, таких как углерод, водород, кислород и т. Д., Каждый из которых имеет более низкий атомный номер, что означает, что рентгеновским лучам легче их обойти. Вот почему, глядя на рентгеновский снимок, он выглядит как тени различных вещей внутри вашего тела, но на самом деле это очень полезно в медицинской диагностике. Рентген может обнаружить переломы костей, опухоли в клетках и определенные заболевания легких, такие как эмфизема и туберкулез.

Безопасность

Точно так же, как рентген может помочь сканировать ключевые области внутри нашего тела, они также могут быть полезны при проверке того, что находится внутри наших сумок на контрольно-пропускных пунктах в аэропортах. Рентгеновские лучи могут проходить через мягкие материалы, такие как пластик или кожа, но поглощаются тяжелыми материалами, которые часто используются в оружии и боеприпасах, включая ножи, пистолеты и другое оружие. Как правило, сотрудники службы безопасности имеют экран монитора, который транслирует внутреннюю часть чемоданов и сумок в режиме реального времени, поэтому сотрудник полиции может наблюдать за любыми подозрительными / запрещенными материалами.

Научное исследование

Помимо медицины, одним из самых ранних применений рентгеновских лучей было изучение внутренней структуры материалов. Когда пучок рентгеновских лучей направлен на кристалл, атомы точно рассеивают его, создавая виртуальную тень от внутренней структуры кристалла. Таким образом, исследователи могут измерить расстояние между атомами. Это называется рентгеновской кристаллографией или рентгеновской дифракцией. Эта техника сыграла решающую роль в открытии структуры ДНК в 1950-х годах.

Читайте так же:
Как варят крафтовое пиво в Лондоне

Специально созданный свет проходит через непрозрачные преграды

Даже рассеянные объекты, такие как облака, отбрасывают тени, потому что они являются неупорядоченными средами, которые рассеивают световые волны

Световыми волнами можно манипулировать так, чтобы они проецировали изображение Большой Медведицы через непрозрачную рассеивающую среду (оксид цинка). © Allard Mosk/Matthias Kühmayer

Даже рассеянные объекты, такие как облака, отбрасывают тени, потому что они являются неупорядоченными средами, которые рассеивают световые волны. Но теперь исследователи из TU Wien и Утрехтского университета нашли способ манипулировать световыми волнами, чтобы пройти через препятствия, проецируя изображение на другую сторону так же ясно, как если бы препятствия не было.

Неупорядоченная среда — это, по существу, набор беспорядочно расположенных частиц, таких как порошок, песок, сахар или даже облако. Когда свет входит в подобную группу крошечных препятствий, он рассеивается невероятно сложным образом. Но теоретически, если бы вы смогли вычислить эту картину рассеяния, можно было бы манипулировать световыми волнами так, чтобы они проходили прямо через них, не рассеиваясь.

И вот теперь исследователям удалось сделать именно это, используя в качестве рассеивающей среды оксид цинка, при этом источник света был помещен с одной стороны, а детектор — с другой.

Первый шаг — узнать препятствие, поэтому команда ученых светила очень специфическими световыми сигналами через порошок, а затем измерила, как они попали в детектор. Используя некоторые сложные математические методы, можно определить характер рассеяния – и создать определенную световую волну, которая вообще не изменит форму.

«Как мы смогли показать, существует совершенно особый класс световых волн – так называемые инвариантные к рассеянию световые моды, которые производят точно такую же волновую картину на детекторе, независимо от того, была ли световая волна только послана через воздух или она должна была проникнуть через сложный слой оксида цинка», — говорит Стефан Роттер, соавтор исследования.

Как бы ни была интригующей идея беспрепятственно пропускать свет через барьер, ученые сделали еще один шаг вперед. Объединив несколько инвариантных к рассеянию световых мод правильным образом, они создали световую волну, закодированную изображением — в данном случае созвездием Большой Медведицы – и спроецировали ее на детектор через оксид цинка.

«Таким образом, по крайней мере в определенных пределах, вы совершенно свободны в выборе того, какое изображение вы хотите передать через объект без помех», — говорит Йерун Бош, автор исследования. «И действительно, нам удалось определить инвариантную к рассеянию волну, которая посылает изображение Большой Медведицы на детектор, независимо от того, рассеивается ли световая волна слоем оксида цинка или нет. Для детектора световой луч в обоих случаях выглядит почти одинаково.”

Это увлекательная работа, основанная на предыдущих экспериментах команды по манипулированию световыми волнами для маскировки объектов, таких как “плащ-невидимка». Новый прорыв может в один прекрасный день привести к новым методам визуализации в медицине, которые безопасно просматривают тело, как рентгеновские лучи. Однако, прежде чем такая технология будет реализована, потребуется проделать еще много работы.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию