FISICI HANNO OSSERVATO LA LUCE SCORRERE COME UN FIUME
I Fisici hanno Osservato la Luce che Scorre Come un Fiume ed È Bellissima
Credit:(Patsyk et al., Nature, 2020)
Immagina nella tua mente il delta di un fiume – il modo in cui il canale principale si divide in piccoli rivoli e affluenti. Qualcosa di simile si verifica nelle onde mentre si propagano attraverso un certo tipo di medium: il percorso dell’onda si divide, spezzandosi in canali più piccoli come i rami di un albero.
Questo è chiamato flusso ramificato ed è stato osservato in fenomeni come il flusso di elettroni (corrente elettrica), onde oceaniche e onde sonore. Ora, per la prima volta, i fisici l’hanno osservato nella luce visibile – e tutto ciò che è stato necessario è stato un laser e una bolla di sapone.
A seconda della struttura del medium, possono accadere cose diverse alle onde che lo attraversano; possono attenuarsi, disperdersi, piegarsi, diffondersi o continuare a scorrere.
Per il flusso ramificato, sono necessarie alcune proprietà. La struttura del medium deve essere casuale e le variazioni spaziali nella struttura devono essere maggiori della lunghezza d’onda del flusso. Deve anche variare dolcemente.
Se tutte queste condizioni sono soddisfatte, piccole perturbazioni e fluttuazioni nella struttura possono disperdere il flusso, provocando la sua divisione.
Variazioni di spessore (Thickness variations) in una membrana di sapone. (Patsyk et al., Nature, 2020)
Sebbene questo comportamento sia onnipresente nelle onde, osservarlo nella luce si è rivelato impegnativo. Cioè, fino a quando un team di fisici del Technion-Israel Institute of Technology in Israele e dell’Università della Florida centrale hanno pensato di usare una bolla di sapone come medium.
Una membrana di sapone è costituita da un film molto sottile di liquido inserito tra due strati di molecole di tensioattivo. Lo spessore di questo film varia sostanzialmente, da circa cinque nanometri a pochi micrometri. Queste variazioni di spessore sono ciò che produce motivi colorati nelle bolle di sapone … ma possono anche agire come perturbazioni che deviano la luce in un flusso, causando la divisione e la ramificazione del flusso.
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Non è facile da fare, però. La luce laser deve brillare tra i due strati di tensioattivo; ciò è stato ottenuto inserendo una fibra nella membrana per un film curvo o accoppiando un fascio ellittico ampio in un film piatto.
Facendo splendere un raggio laser in una bolla di sapone, i ricercatori sono stati in grado di osservare il modo in cui il raggio si divide sulla superficie della membrana. E quando hanno illuminato la membrana con una debole luce bianca, hanno potuto vedere le variazioni di spessore (visibili come variazioni di colore) che dividevano il raggio.
Di solito, il flusso d’aria attorno ad una membrana di sapone provoca lo spostamento del modello, ma se la membrana può essere isolata dal flusso d’aria, il modello può rimanere stabile per diversi minuti. Quindi il team ha anche testato il proprio laser su membrane di sapone sia stabili che mobili.
Le possibilità per questa ricerca sono piuttosto grandi. L’uso della bolla come mezzo ha implicazioni per l’ottofluidica, che è la scienza che studia come la luce interagisca con i liquidi. Il setup sperimentale potrebbe essere usato, ad esempio, per studiare come le forze ottiche influenzano il flusso ramificato.
E l’ispessimento del film, notano i ricercatori, potrebbe consentire un flusso ramificato in tre dimensioni – un fenomeno che è stato ipotizzato, ma non è mai stato osservato in nessun contesto.
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Ciò potrebbe essere usato anche per esplorare altri fenomeni fisici, inclusi alcuni aspetti della relatività generale.
“I sottili film di sapone potrebbero essere modellati in una varietà di superfici curve per studiare il flusso ramificato nello spazio curvo“, hanno scritto i ricercatori nel loro articolo. “Tali esperimenti di spazio curvo sono intimamente correlati alla relatività generale.”
Inoltre riproducendo il video in loop, ciò creerà uno screensaver eccezionale.
La ricerca è stata pubblicata su Nature.
Autore Michelle Starr 1 July 2020
Fonte: www.sciencealert.com