Ученые рассказали о пользе «ненормальных» роллов в оптике
Ученые Сибирского федерального университета и Института физики имени Л. В. Киренского КНЦ СО РАН исследовали оптические фотонные структуры с рассеивающей средой, состоящей из нематических (оптически одноосных) жидких кристаллов. Предполагается, что полученные результаты могут использоваться для анализа сложных структур и процессов, протекающих в упорядоченных системах и, возможно, использоваться для создания биологических датчиков.
В ходе эксперимента были изучены особые «абнормальные» роллы – сложные периодические структуры, возникающие в нематиках под действием электроконвективного спиралевидного потока жидкости.
«Мы изучаем структуры, похожие на цилиндры (роллы) – по форме они напоминают всем известное блюдо японской кухни. Нам удалось отследить образование таких роллов и их поведение в нематических жидких кристаллах. Известно, что в постепенно нагреваемой жидкости (например, в воде) возникает движение вещества – теплая жидкость поднимается вверх по одному каналу, холодная опускается вниз по другому. В результате формируется замкнутый цикл. В нематических жидких кристаллах есть заданная ось симметрии, и любое движение в них осуществляется по траекториям, определяемым этой осью.
Так появляются интересующие нас роллы. Они могут быть относительно простыми, и тогда происходит банальное движение вокруг оси симметрии, что приводит к формированию вытянутых вдоль этой оси роллов. Но иногда образуются сложные спиралевидные потоки, приводящие к появлению так называемых абнормальных (проще говоря, ненормальных) роллов.
Теперь представьте, что эту, и без того сложную, среду мы поместили в оптический резонатор – конструкцию из двух параллельных зеркал, между которыми можно «накапливать» свет», – рассказал один из авторов исследования, доцент кафедры общей физики СФУ, старший научный сотрудник Института физики имени Л. В. Киренского СО РАН Михаил Крахалёв.
Ученый уверяет: в нематических кристаллах можно обнаружить множество разнообразных форм роллов, и интерес они представляют не только для специалистов, изучающих фундаментальные законы гидродинамики или оптики. Абнормальные роллы – самые любопытные: внешне они очень похожи на «нормальных» собратьев своей формой, но существенно отличаются от них внутренним строением. Это делает их интересным объектом в качестве модели рассеивающей среды со сложной закрученной структурой.
«Как двигатель автомобиля предпочитает работать на «чистом» бензине, так обычные оптические резонаторы любят «спокойные» нематические жидкие кристаллы, однородно ориентированные и почти не рассеивающие свет. Мы же показали, что даже если поместить в резонатор «шумную» с точки зрения оптики среду, состоящую из абнормальных роллов, можно вполне успешно регистрировать параметры и характеристики, которые обнаруживаются для классических систем со «спокойными» нематиками.
Более того, благодаря наличию резонатора такая система оказывается чувствительна как к самому факту наличия электроконвективных процессов, так и к их структуре. Например, можно не только легко отличить нормальные роллы от абнормальных, но и измерив оптические характеристики такой системы определить параметры, связанные со структурой (строением) роллов», – отметил Михаил Крахалёв.
Но зачем идти сложным, на первый взгляд, путем, если можно выбрать привычный «наполнитель» для резонатора? Ответ кроется в сущности большинства биологических жидкостей растений, животных и человека – они содержат рассеивающие или поглощающие свет элементы (клетки, белки и прочее). И анализ таких жидкостей, например методом измерения интенсивности рассеянного света, позволяет определить концентрацию и размер рассеивающих частичек, но не позволяет сделать вывод о присущей им структуре. Развитие подходов, позволяющих определять больше параметров сложных систем, может расширить возможности для их исследования и анализа.
«Мы призываем к осторожности в прогнозах. Все же, на сегодняшний день резонаторы с «шумной» рассеивающей средой (как абнормальные роллы в нематиках) изучены недостаточно, как и способы практического применения. Но судя по нашим экспериментам, такая оптическая система действительно является интересной с точки зрения анализа сложных систем, что в дальнейшем может привести к созданию датчиков (детекторов), в том числе для биологических систем», – резюмировал исследователь.
Telegram 
Дзен 
VK 
