Utripanje vodnih kapljic

Švedska znanstvena skupina je v reviji Physical Review Letters objavila izsledke raziskave svetlobnih vzorcev, ki nastajajo pri obsevanju izhlapevajočih kapljic z vidno svetlobo. Kompleksen spekter so pojasnili s kvantnomehansko analogijo in kapljico teoretično opisali kot svetlobni atom z vrtilno količino, tuneliranjem in vzbujenimi stanji.

Znanstvena skupina je v optično past ujela vodne kapljice velikosti največ šest mikrometrov in jih opazovala, dokler niso povsem izhlapele. Iz dveh nasprotnih smeri so jih osvetlili z laserjem valovne dolžine 532 nanometrov in merili intenziteto sipane svetlobe med izhlapevanjem. Tako so dobili spekter sipane svetlobe z gladko in zvezno odvisnostjo od velikosti sipalca. Laserski žarek se znotraj okrogle kapljice odbija in lomi in opazili so, da se pojavi interferenca vsakokrat, ko je obseg kapljice večkratnik velikosti valovne dolžine znotraj snovi. Za lažjo predstavo: kapljica je med izhlapevanjem utripala in zasvetila vsakič, ko je imela pravo velikost za pojav resonance in povečanje intenzitete svetlobe.

Navadno bi se interpretacije rezultatov lotili z numeričnimi simulacijami resonančnega spektra in jih primerjali z rezultati eksperimenta. V preteklih študijah je znanstvena skupina kvantnomehansko analogijo uporabila le za razlago posamezne resonance; tokrat pa jo je razširila na cel spekter resonanc, ki je odvisen od velikosti sipalca. Med drugim so opazili, da so resonance izhlapevajoče kapljice podobne energijskim nivojem atoma. Ugotovili so, da je oblika resonančnega spektra rezultat enostavne končne sferične potencialne jame. Poskus izhlapevajočih kapljic so poimenovali optični atom, saj je svetloba ujeta znotraj kroglice na enak način, kot je v modelu sferične potencialne jame elektron ujet v okolici atoma.

Za konec avtorji in avtorice komentirajo, da se periodičnost resonanc lahko uporabi za do nanometra natančno sledenje velikosti kapljice. Poleg tega je spekter močno odvisen od lomnega količnika in njegove prostorske porazdelitve. Pristop, ki so ga uporabili v študiji, bi zato lahko bil uporaben kot merilo bioloških ali kemičnih snovi na površini hlapljivih kapljic.

S kapljicami je rejvala Tina.

Vir slike: Flow Visualization: a Course in the Physics and Art of Fluid Flow by Jean Hertzberg and students at CU Boulder