Une goutte d’eau illuminée crée un “atome optique”

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La lumière brillante sur une goutte d’eau crée des effets analogues à ce qui se passe dans un atome. Cela peut nous aider à comprendre le fonctionnement des atomes, écrivent des chercheurs de l’Université de Göteborg dans un nouvel article de journal.

Si vous chuchotez près du mur du dôme de la cathédrale Saint-Paul à Londres, vous découvrirez que le son rebondit sur les murs du dôme tout autour et est audible du côté opposé. C’est pourquoi le dôme de la cathédrale a été surnommé “la galerie des chuchotements”.

Le même effet est obtenu lorsqu’un faisceau de lumière est projeté dans une goutte d’eau. Les rayons de lumière rebondissent sur la paroi interne de la gouttelette d’eau encore et encore, tournant et tournant à l’intérieur de la gouttelette. Lorsque sa circonférence est un multiple de la longueur d’onde de la lumière, un phénomène de résonance se produit, tout comme le son à l’intérieur du dôme de la cathédrale, rendant la gouttelette plus brillante.

La goutte clignote

“Dans nos expériences avec la lumière laser, nous avons pu voir que la lumière est piégée à l’intérieur de la goutte d’eau. Lorsque la goutte se rétrécit en raison de l’évaporation, elle semble clignoter chaque fois que sa taille est correcte pour créer le phénomène de résonance”, explique Javier Marmolejo, doctorant en physique à l’Université de Göteborg, qui est l’auteur principal d’une nouvelle étude publiée dans Physical Review Letters.

Grâce à une technique de pinces optiques récompensée par un prix Nobel, les chercheurs peuvent piéger une goutte d’eau à l’aide de faisceaux laser qui la ciblent dans deux directions. Le faisceau laser est réfracté dans la goutte d’eau et se disperse, emprisonnant la lumière à l’intérieur.

Vous ne pouvez pas modifier la taille du dôme de la cathédrale Saint-Paul, mais une goutte d’eau change de taille en s’évaporant. Les chercheurs ont ensuite découvert comment la gouttelette clignotait d’une manière similaire à ce qui se produit lorsqu’un électron est émis par un atome lorsqu’il est éclairé par une lumière de longueurs d’onde variables. Ils ont également pu utiliser une analogie avec la mécanique quantique pour expliquer comment les résonances – la taille de la gouttelette lorsque la diffusion était la plus élevée – correspondent aux niveaux d’énergie d’un atome. Cela fait de la goutte un modèle d’atome avec l’avantage supplémentaire que sa taille peut varier. Il fournit des informations plus approfondies sur la façon dont la lumière se diffuse tout en étant un modèle pour comprendre le fonctionnement des atomes.

Utile dans la recherche de médicaments

“Comme une goutte d’eau est environ 100 000 fois plus grosse qu’un atome, nous obtenons un modèle d’atome visible à l’œil nu, un ‘atome optique'”, explique Javier Marmolejo.

La spectroscopie laser génère des données sur les niveaux d’énergie, les liaisons et les structures des atomes et des molécules. De même, le spectre de la lumière diffusée par les gouttelettes d’eau génère des données sur les gouttelettes réelles. Cela peut être utilisé pour mesurer les taux d’évaporation des gouttelettes microscopiques avec une grande précision, selon les chercheurs. Cette découverte peut être appliquée à des liquides autres que l’eau et peut être utile lors de l’étude de gouttelettes d’aérosol dans des inhalateurs utilisés pour des médicaments, par exemple. Les chercheurs notent également que cette technologie offre une nouvelle façon d’analyser la qualité de l’eau.

“De petites quantités de polluants dans l’eau modifient la façon dont les gouttelettes clignotent, ce qui ouvre la possibilité de mesures rapides et faciles des polluants chimiques ou biologiques dans les gouttelettes d’eau”, explique Javier Marmolejo.

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