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.

Комбинированное изображение радиогалактики Centaurus A в инфракрасном и миллиметровом диапазонах. Движение вещества в галактике приводит к доплеровскому смещению частоты излучения источника — более зеленая часть движется «к нам» , более оранжевая «от нас». ESO

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.

Иллюстрация вращательного эффекта Доплера в линейном режиме. Циркулярно поляризованный свет падает на вращающуюся пластинку, взаимодействие с ней приводит к изменению направления закрученности и сдвигу по частоте, величиной равному двукратной частоте вращения диска. Изображение: Guixin Li et.al / Nature Physics, 2016

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.

Иллюстрация вращательного эффекта Доплера в нелинейном режиме. Циркулярно поляризованный свет падает на вращающуюся пластинку, взаимодействие с ней приводит к генерации второй гармоники, частота которой равна двойной частоте первичного излучения со сдвигом на величину, равную трехкратной частоте вращения диска. Изображение: Guixin Li et.al / Nature Physics, 2016

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 β-BaB₂O₄ на пути циркулярно поляризованного света высокой интенсивности. Кристаллы бората бария имеют особое кристаллическое строение, благодаря которому с их помощью возможна генерация второй гармоники. Анализируя получающийся сигнал,авторы пришли к выводу, что излучение не только меняет направление вращения поляризации (с «левозакрученного» на «правозакрученный» и наоборот), но и испытывает сдвиг на частоту, равную трехкратной частоте вращения диска. В зависимости от направления вращения диска – в ту же сторону, куда был«закручен» свет или наоборот – сдвиг имел положительный или отрицательный знак.

Явление было предсказано почти 50 лет назад Николасом Бломбергеном, лауреатом Нобелевской премии по физике. Однако экспериментальных доказательств эффекту не было до сих пор. Авторы работы объясняют это сложностью в достижении достаточных скоростей вращения, чтобы стала возможной регистрация эффекта. Им удалось обойти это препятствие, используя комбинацию из вращающихся и неподвижных дисков. За счет явления интерференции ученые смогли с высокой точностью определить наличие доплеровского сдвига.  

Автор: Екатерина Митрофанова