Světlo, které vrhá stín

Zdá se, že i světlo může vrhat stín. To, co zní jako nadpis ezoterického časopisu, je ve skutečnosti velice důmyslným experimentem a fyzikálním jevem. (délka blogu 3 min.)

Světlo popisuje jev, který se zakládá na našem vnímání určitých částic - fotonů. Fotony mají přitom zajímavou vlastnost - chovají se jako částice i vlna. Jou nehmotné, nenesou žádný náboj a interagují s hmotou, ale mezi sebou většinou nikoliv.Pokud se dva světelné paprsky kříží, za normálních podmínek si nevšimneme žádného speciálního efektu. Fotony se vzájemně nevychylují ze své dráhy, neblokují se a vzájemně se nezpomalují. Je známo, že se fotony pohybují stálou a neměnnou rychlostí - rychlostí světla.

Zdá se ale, že fotony, které se účastní určitého experimentu, mohou vytvářet tmavou stopu. Jedná se o dva laserové paprsky, které byly propojeny tak, že jeden zanechává stín ve druhém paprsku. V tomto experimentu se „světelný stín“ jeví jako jasně viditelná tmavá čára. Navíc je tento stín pohyblivý: Pokud vědci drží ve stínu tenkou kulatou tyč, stín se v tomto místě vyboulí tak, že odpovídá křivce tyče. Možná tedy musíme opravit své znalosti o chování světla a stínu. Za určitých okolností může laserový paprsek sám vrhat stín.

Experiment

K experimentu nejsou potřeba žádné exotické materiály nebo podmínky. Nutné jsou dva lasery a jeden rubínový krystal. První z paprsků má modrou barvu, protože se jedná o laserový paprsek s vlnovou délkou 450 nanometrů. Tento paprsek je namířen na rubínový krystal ve tvaru krychle. Krystal prosvěcuje také zelený laser o vlnové délce 532 nanometrů. Výsledné světlo za krystalem se promítá na kus papíru a může se tedy také zaznamenávat běžnou kamerou.

Na papíře nebo v obraze kamery se objevuje jasně viditelný stín. Jeho tvar, šířka a poloha přesně odpovídají dráze zeleného laserového paprsku rubínovým krystalem. Pohlcení světla odpovídá intenzitě zeleného laseru a zvyšuje se jeho intenzitou. V optimálním případě se pohlcuje kolem 22 procent dopadajícího světla. Pro srovnání, to je přibližně tolik, kolik záření pohlcuje za slunečného dne běžný strom.

Co je příčinou?

Za tento jev může… a vás to neudiví… fyzika. Na vině je nelineární optický efekt, který umožňuje rubínový krystal. Energie zeleného laserového paprsku excituje elektrony v jeho krystalové mřížce a přivádí je ze základního stavu na vyšší energetickou hladinu. Když modré světlo dopadne na krystal, interaguje s těmito změněnými stavy. Stín se tedy nevytváří nehmotným světlem ale jeho hmotným následkem, tzv. polaritonem. Polaritony nejsou částicemi hmoty, ale připomínají více fotony, které disponují určitou virtuální hmotností. Nejspíše proto mohou interagovat s dopadajícím modrým laserovým paprskem.

Polariton

Ve fyzice se pojem polariton nazývá kvazičástice, která se tvoří, když elektromagnetické pole silně interaguje s excitovaným stavem v pevné látce, která má dipólový moment. Základní fyzikální jevy, které vznik polaritonu provázejí, jsou absorpce, odraz nebo rozptyl elektromagnetického záření pevnou látkou.

Fyzici nyní chtějí zjistit, jak reagují další krystalické materiály a jestli by se daly použít k vytvoření podobného stínového efektu.

^{Zdroje: 10.1364/OPTICA.534596}