Illustrazione artistica della distribuzione della pressione radiale nell'acqua eccitata da un breve impulso laser di 9 ns. Il raggio della sonda che rileva gli effetti è illustrato in rosso. Credito:Mikko Partanen, Università di Aalto
Un gruppo internazionale di ricercatori ha misurato quanto un raggio laser trascina sull'acqua attraverso cui brilla.
Poiché la luce costituisce un fenomeno di onda elettromagnetica, è noto che un raggio laser che brilla attraverso l'acqua interagisce con essa tramite un processo chiamato elettrostrizione, il che implica che l'acqua viene compressa verso l'asse del raggio laser. Questo fenomeno è simile alla spremitura di un tubetto di dentifricio; la pasta viene spinta verso l'interno, il che la sposta anche lungo il tubo, costringendo fuori un po' di dentifricio.
Ora, un team internazionale di ricercatori ha misurato la densità di forza esercitata dalla luce laser all'interno di una colonna d'acqua mentre la attraversa. "Questa è la prima volta che viene misurata la densità di forza esercitata dalla luce all'interno della materia; esperimenti precedenti hanno misurato solo le forze all'interfaccia di diversi materiali, o le forze nette esercitate su piccole particelle", afferma Nelson Astrath dell'Universidade Estadual de Maringa.
La stessa analogia aiuta a spiegare come i ricercatori siano riusciti a misurare la minuscola forza esercitata dalla luce. Chiudendo le estremità del tubo pieno d'acqua con lastre di vetro, rimettono efficacemente il tappo sul tubo del dentifricio. "In questo modo, la compressione transitoria non potrebbe più forzare l'acqua fuori lungo il percorso del laser, rendendo così l'effetto dominante le onde elastiche generate dall'elettrostrizione che si allontanano dal raggio laser", afferma Tomaž Požar dell'Università di Lubiana. Dopo aver misurato le proprietà di quell'onda, i ricercatori hanno potuto calcolare le forze coinvolte.
Onde elastiche intrappolate tra le pareti delle cuvette
Gli esperimenti, che sono stati condotti in Brasile, hanno dovuto controllare altre interazioni che potrebbero soffocare questo effetto. "Ad esempio, i laser riscaldano anche una piccola quantità di acqua per un breve momento, facendola espandere", hanno affermato Mauro Baesso e Gabriel Flizikowski dell'Universidade Estadual de Maringá. Per evitare ciò, il team ha dovuto utilizzare acqua ultrapura, senza nulla al suo interno che si riscaldasse assorbendo più energia elettromagnetica dell'acqua pura stessa. Anche la lunghezza d'onda del laser è stata attentamente controllata per ridurre al minimo l'assorbimento.
"L'elettrostrizione implica che gli atomi si raggruppano più vicini tra loro, aumentando la densità. Questa costrizione è l'opposto dell'espansione termica che normalmente segue l'assorbimento elettromagnetico a temperatura ambiente. Per questo motivo, la compressione può essere misurata solo in materiali che hanno pochissimo elettromagnetico assorbimento", afferma Mikko Partanen dell'Università di Aalto.
"Le forze ottiche di massa e di confine nel liquido possono essere osservate nel segnale ottico contorto a causa della distribuzione della pressione spaziotemporale risultante. La perturbazione della pressione è correlata alla comprimibilità, indicando così la forza di Helmholtz dell'elettrostrizione. Questa forza è stata storicamente difficile da misurare e modellare accuratamente ", afferma Iver Brevik dell'Università norvegese di scienza e tecnologia. "Siamo anche in grado di distinguere tra gli effetti Kerr termici e non lineari indotti dalle radiazioni, quindi consideriamo questi risultati un importante contributo agli esperimenti di perturbazione della pressione indotta dalla luce nei fluidi dielettrici", afferma Daniel Razansky dell'Università di Zurigo e dell'ETH di Zurigo .
"L'esperimento è un significativo balzo in avanti nella formulazione di una teoria esatta della forza ottica dipendente dal tempo e dalla posizione, che è verificata teoricamente e sperimentalmente in modo inequivocabile. In particolare, l'esperimento verifica quantitativamente la componente assiale della densità della forza ottica per un fascio ottico. Ciò che resta ancora da sperimentare è la misurazione della componente della forza longitudinale", afferma Stephen Bialkowski della Utah State University.
Oltre agli esperimenti, i ricercatori hanno prodotto un modello teorico per spiegare i loro risultati. "Sono necessari ulteriori lavori per comprendere correttamente diversi aspetti del modello dal punto di vista della teoria della relatività speciale", hanno aggiunto Bruno Anghinoni e Luis Malacarne.
Lo studio amplia le scoperte del premio Nobel Arthur Ashkin, che ha usato per sviluppare pinzette ottiche per manipolare minuscole particelle di materia con la luce. "La nuova ricerca promuove la nostra comprensione di come un campo ottico prodotto dalle pinzette influenzi la materia deformabile manipolata", hanno aggiunto Nelson Astrath e Tomaž Požar.
"La ricerca potrebbe essere impiegata in biologia o medicina, tra le altre potenziali applicazioni. Se l'elettrostrizione ottica può essere utilizzata per controllare le proprietà meccaniche della materia, potrebbe essere potenzialmente utilizzata nei sistemi microelettromeccanici ottici", afferma Jukka Tulkki dell'Università di Aalto.
Lo studio, "Unveiling bulk and surface Radiation Forces in a dielectric liquid", è stato pubblicato in Light:Science &Applications . + Esplora ulteriormente
