Tutkijat kutistivat vettä valon avulla – erikoinen ilmiö mitattiin ensimmäistä kertaa maailmassa

Kansainvälinen, brasilialaisen Estadual de Maringán yliopiston professori Nelson Astrathin koordinoima tutkijaryhmä on onnistunut ensimmäistä kertaa maailmassa mittaamaan, miten valon voima vaikuttaa aineen sisällä. Artikkeli julkaistiin Light: Science & Applications -lehdessä.

Tutkijat mittasivat laservalon voimia ohuessa vesikerroksessa valon kulkusuuntaan nähden poikittaisessa suunnassa ja havaitsivat optisen elektrostriktio-ilmiön. Se tarkoittaa, että materiaali pyrkii tiivistymään valon sähkökentässä. Ilmiö on sukua magnetostriktiolle, jossa ulkoisen, hitaasti muuttuvan magneettikentän avulla muutetaan metallikappaleen muotoa tai kokoa.

Ilmiöitä on tutkittu teoreettisesti varsin paljon, mutta valoon liittyen kokeita ei ole juurikaan tehty, ja myös teoria on ollut optiikassa osin puutteellinen, kertoo Aalto-yliopiston tutkija Mikko Partanen. Hän työskenteli tutkimuksen teoriaosuuden parissa ja vieraili myös Brasiliassa mittausten aikana.

”Atomit siis pakkautuvat elektrostriktiossa lähemmäs toisiaan ja aine tiivistyy. Ilmiö on vastakkainen säteilyn absorptiosta eli imeytymisestä tavallisesti huoneenlämmössä seuraavalle lämpölaajenemiselle. Tämän vuoksi aineen tiivistyminen on mitattavissa vain hyvin vähän säteilyä absorboivien aineiden tapauksessa”, kertoo Partanen.

Minimoidakseen absorptiota tutkijat kontrolloivat tarkkaan laservalon aallonpituutta. Välttääkseen veden lämpölaajenemisen tutkijaryhmä myös käytti kokeessa erittäin puhdasta vettä.

”Muussa tapauksessa laservalo lämmittäisi vettä hetkellisesti, saaden sen laajenemaan”, kertovat tutkijat Mauro Baesso ja Gabriel Flizikowski Estadual de Maringán yliopistosta.

Valon voimia aineen, kuten veden, sisällä ei ole ennen pystytty kokeellisesti mittaamaan, vaan aiemmat mittaukset ovat rajoittuneet voimiin eri aineiden rajapinnoilla.

Päästäkseen paremmin käsiksi aineen sisällä tapahtuvien ilmiöiden mittaamiseen pintailmiöiden sijasta tutkijat laittoivat vettä lasilevyjen väliin. Näin veden pinta ei pääse kaareutumaan lasersäteen vaikutuksesta. Kun laservalo sitten etenee lasilevyjen välissä olevan vesikerroksen läpi, valon etenemissuuntaan nähden poikittaissuuntainen optinen elektrostriktioilmiö voidaan havaita.

Laservalon energiatiheys on suurin säteen keskellä ja laskee nollaan siirryttäessä poispäin säteen akselilta. Optinen elektrostriktiovoima pyrkii siirtämään atomeja alueelle, jossa kentän energiatiheys on suurin. Tästä syystä neste tiivistyy lähellä säteen akselia. Nopean tiivistymisen seurauksena vedessä syntyy aineen tihentymistä ja harventumista muodostuva ääniaalto, joka etenee laserpulssin keskeltä säteittäisesti ulospäin.

Optinen kenttä avuksi nanoteknologian sovelluksissa

Tutkimus laajentaa Nobel-palkitun Arthur Ashkinin tutkimusta, jonka perusteella hän kehitti optiset pinsetit, joilla voidaan käsitellä pieniä materiaalihiukkasia valon avulla. Nyt tehty tutkimus auttaa ymmärtämään, miten optisen kentän energiatiheys muokkaa optisissa pinseteissä olevien materiaalihiukkasten sisäistä jännitystilaa.

”Jos optisella elektrostriktiolla opitaan kontrolloimaan aineen mekaanisia ominaisuuksia, sitä voitaisiin hyödyntää optisissa mikrosysteemeissä, esimerkiksi biologiassa tai lääketieteessä”, sanoo emeritusprofessori Jukka Tulkki.

Poikittaissuuntaisen ilmiön lisäksi aineen sisällä on myös etenemissuuntaisia optisia voimia, joita ei ole vielä saatu mitattua.

Lisätietoja:

Artikkeli: Unveiling bulk and surface radiation forces in a dielectric liquid

Mikko Partanen
Tutkijatohtori
Aalto-yliopisto
mikko.p.partanen@aalto.fi
 

Jukka Tulkki
Emeritusprofessori
Aalto-professori
jukka.tulkki@aalto.fi
puh. 050 501 4092