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在肥皂膜中,物理學家第一次看見光的分支流

作者:東譜科技(廣州)有限責任公司 瀏覽: 發表時間:2020-07-13 09:00:00

分叉是生活中的常見現象,比如河流分支、樹木生長。在微觀世界中,波也有分叉現象,我們稱之為“分支流”。但科學家從未觀察到光的此類現象,因為光有強大的散射,很難彙聚。最近,一位博士生將激光照向美麗的肥皂泡,意外看到了光的分支流。這個由肥皂泡和激光束共同組成的光流體系統中的相互作用,和光與固體的相互作用很不同,這或許為理解自然界中的分支流現象提供了新的機會。


撰文 | 烏鴉少年


光的散射是天空呈現一片蔚藍的原因。當光穿過不均勻的介質時,通常會向各個方向散射,要讓光彙聚起來是很困難的。然而,當以色列理工學院的一位博士生將激光照向肥皂膜時,令人意外的事情發生了,這些光自然地彙聚成細絲,並且像樹枝一樣不斷分叉,形成了奇妙的分支流(branched flow)


圖1. 光的分支流。| 來源:[1]


2001年發現的電子的分支流。| 來源:[2]


實際上,分支流現象普遍存在於自然界中不同波長的波當中,從石墨烯中速度達到相對論極限的電子,到聲波,甚至海浪。科學家早在2001年就觀察到了二維電子氣中的電子分支流,不過,這是人們第一次將這一現象擴展到光學領域。相關研究以《對光的分支流的觀察》Observation of branched flow of light為題發表在近期的《自然》雜誌上。


顯微鏡下的肥皂膜


純淨的空氣可以讓光無阻礙地行進,彌漫的大霧會將光散射掉,彩色玻璃則隻會讓特定波長的光透過,而吸收掉其餘各種顏色的光——介質的性質決定了光波在其中的行為。此次實驗中之所以能夠觀察到光的分支流現象,肥皂膜這種介質的特殊性質可謂功不可沒。


你一定幸運地撞到過公園裏小朋友吹出的五光十色的肥皂泡。當太陽光照射到肥皂膜表面時,會形成各種顏色的條紋和斑點,這是我們熟悉的薄膜幹涉現象:一部分光被膜的上表面反射,一部分被下表面反射,兩束反射光相互幹涉,由此在肥皂膜厚度不同的區域呈現出不同顏色。


這些普普通通的肥皂泡有何奇特之處呢?要了解這一點我們得深入微觀世界。從微觀上看,肥皂膜是兩層表面活性劑中間夾著一層水膜,由於表面活性劑分子的密度不同,膜的厚度可以在5納米到數微米之間平滑地變化。對於在薄膜中傳播的光線而言,這種厚度的變化會相應地導緻介質的折射率發生變化,在較厚的薄膜中,折射率的變化比較小,但是當薄膜厚度接近光的一兩個波長時,折射率的變化會相當大,從而有效地散射肥皂膜中的光。


通過顯微鏡,我們可以清楚看到肥皂膜反射的光形成的彩色幹涉圖樣,根據幹涉圖樣與介質折射率,進而與肥皂膜厚度的關系,就可以計算出相應的肥皂膜厚度的分布圖。可以看到,它們如大地上的山峰和山穀般緩慢起伏。


用於觀察光的分支流現象的肥皂膜。(上)肥皂膜表面的彩色幹涉圖樣,(下)相應的肥皂膜厚度的變化圖,圖中三個肥皂膜樣品的厚度在50-550納米之間變化。| 來源:[1]


肥皂膜厚度的變化是無序且隨機的,局部的漲落向著遠處平滑漫延。因為這種特性,從很小的尺度看來,膜上一個位置的厚度變化與相鄰位置是非常接近的,不太可能出現太大偏離。如果延伸到一個非常大的尺度上,比如從膜的一邊到另一邊,這樣兩個位置的厚度變化則是完全獨立的,它們彼此之間毫無關聯。


在這兩種情況之間存在一個特征尺度,一旦超過這個長度,兩個位置的厚度變化便不再相互關聯。在統計物理學中,我們稱這個特征尺度為關聯長度,關聯長度可以讓我們粗略地知道,在起伏不平的肥皂膜表面,那些隆起的山峰和凹陷的山穀大緻是如何分布的。隻有當肥皂膜的關聯長度大於入射光的波長時,光的分支流現象才有可能出現。


肥皂膜上的激光舞表演


要觀察到光的分支流非常具有挑戰性,尤其是作為實驗平台的肥皂膜很不穩定,甚至有可能突然破碎。實驗中,為了觀察激光在肥皂膜內部的傳播,研究人員將一根光纖插入經過特殊處理而能保持不破碎的平面薄膜,讓激光從膜的兩層表面活性劑之間注入,與薄膜耦合。


由於激光在傳播過程中會部分地散射,我們可以實時地直接觀察到光波在薄膜中的傳播。可以看到,光波會因為薄膜厚度的局部隨機變化而發生偏轉,聚焦成細絲,然後持續分叉,形成像樹枝一樣的美麗圖案。而且頗為違反直覺的是,盡管肥皂膜的厚度隨機變化,這些細絲在下一次分叉前並不會任意偏折,而是始終保持準直。


在隔絕氣流幹擾的情況下,肥皂膜可以穩定地維持數分鍾,用於觀察光在靜止的肥皂膜中的傳播。如果存在微弱的氣流,薄膜的厚度則會發生變化,使得幹涉圖樣不斷移動,這樣就可以看到不斷變化的分支流圖案。在有照明的情況下,我們可以同時看到光的分支流和通常見到的彩色幹涉圖樣,這種景象就像是一條大河在起伏不平的山川間不斷分叉,形成眾多支流.

有照明的情況下,可以同時看到光的分支流和彩色幹涉圖樣。|來源:[1]


除了平坦的肥皂膜,研究人員也觀察了光在半球形肥皂膜中的傳播。對於彎曲的肥皂膜,不僅薄膜厚度的變化會影響光的傳播,薄膜的整體曲率也會產生影響。

光在半球形的肥皂膜中傳播,形成彎曲的光分支流。| 來源:[1]



一次意外發現


僅僅用激光和肥皂膜就能發現如此有趣的現象,這甚至超出了實驗人員自己的期待。最初,以色列理工學院的博士生Anatoly Patsyk想要測量的是另一種截然不同的現象,在過程中他意外地觀察到了光的分支流,但在很長一段時間裏,沒人能解釋他看到的現象。他和實驗室的其他同事合作,升級實驗設備,直到從諸多因素中找出肥皂膜厚度變化這一主要原因,才逐漸理解了背後的原理,這前後一共經過了一年多時間。


這篇論文的通訊作者、以色列理工學院物理學與電子工程學教授 Moti Segev 說:“我總是跟我的團隊說,要有想象力,思考一些新的東西,同時要實事求是地看待實驗事實,而不是試圖調整實驗以符合預期。”他們開放地面對自然帶來的意外,這一次,自然也給他們帶來了驚喜。


觀察到光的分支流為理解自然界中普遍存在的分支流現象提供了一個新的機會。尤其引人注目的是,作為此次實驗平台的肥皂膜是一種流體,它和激光束共同組成了一個光流體系統(optofluidic system)。光流體學研究光與流體的相互作用,這和光與固體的相互作用具有根本不同。流體的流動性、光可能對流體產生的作用、傳導熱量時擴散和對流的作用,所有這些都會導緻光流體系統中出現諸多複雜的非線性現象。由此看來,對於未來的相關研究,肥皂膜或許會是一個理想的實驗平台。


參考文獻

[1] https://www.nature.com/articles/s41586-020-2376-8

[2] https://www.nature.com/articles/35065553

[3] https://www.nature.com/articles/d41586-020-01991-5

[4] https://www.sciencealert.com/physicists-have-observed-light-flowing-like-a-river-and-it-s-beautiful

[5] https://phys.org/news/2020-07-researchers-observe-branched-flow-of.html

[6] Jean-Louis Barrat, Jean-Pierre Hansen. Basic Concepts for Simple and Complex Liquids. (2003)


來源:返樸


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