Исследователи из Германии и Великобритании впервые экспериментально зарегистрировали вращательный доплеровский сдвиг в нелинейном оптическом режиме. Ученые полагают, что их наблюдения помогут создать методы, с высокой точностью определяющие характеристики вращения молекул, жидкостей и плазмы, а также исследовать магнитные и оптические свойства различных материалов. Работа опубликована в журнале Nature Physics.
Эффект Доплера – изменение видимой частоты излучения
при движении источника, наблюдателя или среды по сравнению с собственной
частотой источника (то есть в системе отсчета, в которой он покоится). Из-за этого эффекта, например, звук приближающейся к нам машины кажется выше, а удаляющейся - ниже.
Эффект активно применяется в самых разнообразных прикладных задачах: от
измерения скоростей движения астрономических объектов до исследования свойств
жидкостей, турбулентных потоков и отдельных молекул, также он используется для
более точного определения координат в глобальных системах позиционирования.
Явление может наблюдаться не только при поступательном движении среды или источника, но и при вращательном. Например, если смотреть на светящийся шар под углом к оси его вращения, некоторые его части будут удаляться от наблюдателя, а другие, наоборот, приближаться. В результате цвет одной стороны шара сместится в более красную область, а другой – в более фиолетовую. Это явление используют, например, для наблюдения за вращением астрономических объектов. Однако, такое «цветовое смещение» вращающихся тел также является проявлением поступательного эффекта Доплера.
Вращательный эффект Доплера проявляется по-другому. Если наблюдатель
«смотрит» вдоль оси вращения объекта, расстояние
между ним и разными точками объекта не меняется, а значит детектировать такое
вращение за счет поступательного эффекта не получится. Но это ограничение ученые смогли обойти для
случая световых волн с круговой поляризацией (или с циркулярной) –
«закрученных» фотонов.
Поляризация при облучении светом связана с воздействием
электрической части световой волны на вещество. В линейной оптике зависимость
между вектором поляризации P вещества и электрической напряженностью Е падающей световой
волны считается линейной. Однако при высокой интенсивности падающей волны она
может начать отклонятся от линейного поведения. Возникающие в таком случае
эффекты изучаются в нелинейной оптике. К ним, например, относится рассмотренная
в данной статье генерация второй гармоники – явление рождения вторичной волны
удвоенной частоты при взаимодействии света с веществом.
В более ранних работах по вращательному эффекту Доплера,
явление наблюдали при взаимодействии «закрученных» фотонов с различными
объектами в линейном оптическом режиме. Однако теоретически предсказано, что
для нелинейного случая доплеровский сдвиг должен быть сильнее – добавка
составляет трехкратную частоту вращения диска (для процесса генерации второй
гармоники) по сравнению с двукратной для линейного режима. Таким образом,
чувствительность такого метода может быть гораздо выше линейного аналога.
Авторы новой работы смогли впервые экспериментально
доказать, что вращательный эффект Доплера существует и в нелинейной оптике.
Причем количественные предсказания для этого явления также оказались верны.
Ученые поместили вращающиеся диски из бората бария
