کشف عجیب دانشمندان: نور می‌تواند با مسدودکردن خود سایه ایجاد کند

سایه وقتی به وجود می‌آید که نور به جسم کدری تابیده شود. نور می‌درخشد، فوتون‌ها حرکت می‌کنند تا زمانی که به جسمی برخورد کنند که نمی‌توانند از آن عبور کنند. این انسداد نور، سایه ایجاد می‌کند؛ یعنی قطعه‌ی کوچکی از تاریکی که نور نتوانسته به آن نفوذ کند.

بااین‌حال، فیزیکدانان به‌تازگی ویژگی بسیار عجیبی در مورد سایه‌ها کشف کرده‌اند. اگر لیزری از مواد شفاف مناسب عبور کند، می‌تواند محیط اطراف خود را مجبور کند، کدر شود، تقریباً به‌گونه‌ای که گویی سایه‌ی خود را می‌اندازد.

وقتی دو پرتو نور لیزر به هم می‌رسند، به سادگی از یکدیگر عبور می‌کند. به جز در شرایط بسیار خاص، فوتون‌ها با یکدیگر برهم‌کنش نمی‌کنند و امواج متقاطع به‌طور مستقیم بدون مانع‌شدن از یکدیگر می‌گذرند.

عنصر مهم در آزمایش آبراهاو یک مکعب یاقوت بود. محققان پرتویی از نور لیزر سبز را به این مکعب تاباندند؛ در حالی که به‌طور همزمان لیزر آبی را از کنار می‌تابانند. وقتی نور سبز از میان اتم‌های یاقوت عبور می‌کرد، خواص اتم‌ها را به شیوه‌ای عجیب تغییر داد و سپس بر نحوه‌ی واکنش اتم‌ها به نور آبی تأثیر گذاشت. اتم‌های تحت تاثیر نور سبز به جای اینکه اجازه دهند لیزر آبی از میان آن‌ها عبور کند، نور آبی را مسدود کردند که سایه‌ای دقیقاً شبیه پرتوی لیزر سبز ایجاد کرد. محققان توانستند نور آبی را روی صفحه‌ نمایش دهند و همچنین «سایه‌ی لیزر» را با چشم غیرمسلح ببینند.

آبراهاو و تیمش در ابتدا تصمیم گرفته بودند به‌عنوان پروژه‌ای ثانویه، بررسی کنند که آیا یک پرتو‌ی نور می‌تواند سایه ایجاد کند یا خیر. آن‌ها قبلاً در حال بررسی نحوه‌ی تعامل پرتوهای نور با مواد غیرخطی بودند. این مواد دارای خواص منحصر‌به‌فردی هستند که برهم‌کنش آن‌ها با نور، از یک الگوی مستقیم پیروی نمی‌کند و به پدیده‌هایی مانند تقویت، جذب، تمرکز بر خود و ایجاد هارمونیک (یا تکرار فرکانس) منجر می‌شود.

تیم تحقیقاتی از نرم‌افزار مدل‌سازی سه‌بعدی برای تولید طرحواره‌های ساده برای آزمایش‌های خود استفاده می‌کرد. در این نرم‌افزار، پرتو‌ی نور به عنوان استوانه‌ای جامد نشان داده می‌شود که سایه می‌اندازد. فیزیکدانان این استوانه را بسیار خنده‌دار می‌دانستند تا اینکه بحث آن به گفتگو در مورد فیزیک لیزرها و پاسخ اپتیک غیرخطی مواد منجر شد. محققان از آنجا تصمیم گرفتند آزمایشی را برای نشان دادن سایه‌ی پرتو لیزر انجام دهند.

یاقوت ماده‌ای محبوب برای مطالعه‌ی اپتیک غیر‌خطی است؛ بنابراین محققان از آن به عنوان نقطه‌ی ملاقات دو لیزر استفاده کردند. نور لیزر آبی به یاقوتی هدایت می‌شد، از آن عبور می‌کرد و درخشش جالبی روی صفحه می‌تاباند، در حالی که پرتو‌ی باریکی از نور لیزر سبز به صورت عمود بر اولی از دیگری عبور می‌کرد.

هر جا که خط نازک نور سبز روی مولکول‌های یاقوت می‌افتاد، رقص پیچیده‌ای از بالا و پایین ‌رفتن الکترون‌ها رخ می‌داد. در نتیجه، طول موج کمیِ کوتاه‌ترِ نور آبی توسط الکترون‌های در حال گذار مخدوش و مسیر آن از طریق ماده‌ی نیمه‌شفاف مسدود شد.

آبراهاو می‌گوید کشف گروهش دانش ما را در مورد نحوه‌ی تعامل نور با ماده افزایش می‌دهد و ممکن است به استفاده‌های جدید و خلاقانه از نور منجر شود. او همچنین اشاره می‌کند از آنجایی که درک ما از سایه‌ها در کنار دانش ما از نور و اپتیک تکامل یافته، یافته‌ی جدید ممکن است در زمینه‌های مختلف مفید باشد؛ ازجمله سوئیچینگ نوری (جایی که یک نور، نور دیگری را کنترل می‌کند) و فناوری‌هایی که به کنترل دقیق نور نیاز دارند، مانند لیزرهای پرقدرت.

تحقیق در نشریه‌ی Optica منتشر شده است.