Valguskuul levib valguse kiirusest kiiremini
Lokaliseeritud lained ehk levi-invariantsed elektromagnet- või akustilised impulsid on teadlaste huviorbiidis olnud suhteliselt lühikest aega. Uue valdkonna areng asi alguse pea 30 aastat tagasi, mil selliseid laineid kirjeldati matemaatilis-teoreetiliselt. Lehekülgede kaupa valemeid ja arvutusi kirjeldasid uut tüüpi impulsse, mille omadused erinesid seni tuntuist. Nimelt on kõigil lainetel fundamentaalne omadus ristsuunas laiali valguda seda enam, mida enam neid koondada püütakse. Levi-invariantsed lained aga levivad sirgjooneliselt ja muutumatu kujuga. Loomulikult alluvad fundamentaalsetele füüsikaseadusele ka levi-invariantsed lained, kuid iseäraliku ülesehituse tõttu sõltub nende muutumatu levimise ulatus muudest parameetritest.
Ülilühikesed sähvatused
Valtna-Lukner uuris oma doktoritöös ülevalguskiiruse levivaid ehk superluminaalseid lokaliseeritud laineid, mis on üks kolmest lokaliseeritud lainete alamklassist. Valdav osa eksperimentidest tehti 30 femtosekundit kestvate valgusimpulssidega. Sellist valgusimpulssi võib ette kujutada ülilühikese sähvatusena, näiteks väga erilise fotoaparaadi välguna. Ainult et fotoaparaadi välk kestab umbes ühe millisekundi.
Selleks, et hoomata kui lühike ajavahemik on 30 femtosekundit, võib selle mõttes venitada fotoaparaadi välgu ehk ühe millisekundi pikkuseks. Sellisel juhul veniks samas ajaskaalas fotoaparaadi välk ise aga kümne ja poole aasta pikkuseks.
Kuigi teoreetiliselt oli lokaliseeritud ülevalguskiiruse levivate lainete olemasolu juba mõnda aega teada, siis optikas on õnnestunud nende olemasolu eksperimentaalselt näidata alles viimase kuraditosina aasta jooksul.
Põhjuseks ei olnud mitte superluminaalne rühmakiirus, mis on põhjustanud mitmeid debatte, vaid seda tüüpi valgusimpulsside tekitamise ja mõõtmise põhimõttelised keerukused. Nimelt on lokaliseeritud laine tekitamiseks vaja esmalt tekitada erilise lainepikkuse ja levimisnurga sõltuvusega ehk nn. spektraalse jäljega ülilühike valgusimpulss ning see kõrge ajalis-ruumilise lahutusega ära mõõta. See on saanud võimalikuks tänu ülilühikesi impulsse tekitavate femtosekundlaserite laialdasele levikule viimastel aastakümnetel ja uute mõõtemetoodikate välja töötamisele.
Siiski, ka “spektraalse jälje” tekitamine ei ole lihtne ülesanne. Abstraktses lainearvude ruumis on lokaliseeritud laine spektraalne jälg hästi kitsas või lausa singulaarne joon, mis kujult kas sirge, hüperbool, ellips või parabool. Ülevalguskiirusega levivatele laineväljadele on omane hüperboolikujuline või selle erijuht, sirge, spektri jälg. Kui sirge jälje loomine pole raske, siis paraboolse ja elliptilise spektri jälje tekitamiseks ei ole teada täpset metoodikat. Doktoritöö raames õnnestus autoril leida põhimõtteskeem hüperboolse spektri jälje moodustamiseks difraktsioonivõrede abil. “Meil oli õnne,” rõõmustab Valtna-Lukner.
Põnevad eksperimendid
Doktoritöö raames tegi Heli Valtna-Lukner professor Peeter Saari uurimisrühma koosseisus mitu põnevat eksperimenti. Üks neist puudutas palju kõneainet pakkunud lainevälja superluminaalsuse omadust, mida on peetud vastuoluliseks füüsikaseadustega. Vastuolu põhjuseks on aga pelgalt signaali levimise kiirusele kehtivate piirangute ekslik ülekandmine ka rühmakiirusele. Lokaliseeritud lainetes levib justkui valguskuulisarnane terav intensiivsusmaksimum muutumatul kujul. Valgusest kiiremini levimine on aga lihtsalt intrigeeriv kõrvalefekt. “See valguskuul levibki üle valguse kiiruse, samal ajal kui tasalainetes levib energia valguse kiirusega ja vastab kõikidele füüsikaseadustele,” selgitas autor.
Uued mõõtmisseaded
Lisaks sellele, et tänapäevane tehnoloogia suudab saavutada 30 femtosekundi pikkuseid ja isegi lühemaid valgusimpulsse, on neid ka vaja mõõta. Üks lahendus oleks neid pildistada ehk teha mitu järjestikust hetkvõtet. “Kuid pole ühtegi detektorit, mis suudaks seda elektrivälja reaalselt registreerida,” sõnas autor. Nii kiireid seadmeid või lühemat võrdlusimpulssi, mis selliseid mõõtmisi teha lubaks, pole olemas. Seetõttu on välja töötatud mõõteseadmed, mis kodeerivad uuritavat valgusimpulssi iseloomustava info eksperimendis mõõdetavatesse suurustesse.
USA Georgia tehnoloogiainstuudi teadlaste paari aasta vanune täiendus nende poolt varem välja töötatud metoodikal põhinevale seadmele lubas lokaliseeritud lainete mõõtmisel saavutada ka soovitud tundlikkust ning ajalis-ruumilist lahutust. Teaduse keeles on need uhiuued vahendid.
Kuna Valtna-Lukneril ei õnnestunud isiklikult Ameerikasse sõita, siis käisid teised uurimisrühma liikmed mõõtmas ülevalguskiirusega levivaid lainevälju, sealhulgas Bessel-X impulssi. Kuigi Bessel-X superluminaarseid impulsse on varem mõõdetud isegi Tartus, polnud varem sooritatud ajalis-ruumilist mõõtmiseksperimenti, mille käigus registreeritakse valgusimpulsi muutumine ajas ja ruumis.
Eksperimendi käigus suudeti saavutada eelpoolmainitud väikese, umbes 18 mikronilise läbimõõduga valguskuuli levimine kaheksa sentimeetri jooksul ilma, et valgusimpulss oleks kuju muutnud. Selline tulemus klappis hästi teoreetilise arvutusega ning tulemusele lisab kaalu mõõtmise kõrge ajaline ja ruumiline resolutsioon.
Koostöös USA teadlastega saadud tulemus pälvis eelmise aasta detsembris nii Eesti kui ka rahvusvahelise ajakirjanduse tähelepanu, kui Ameerika optikaühingu kuukiri OPN valis uuringu ühe aasta teadussaavutuse hulka.
Valgus varju taga
Doktoritöö hõlmab ka teisi olulisi eksperimentaalse optika uurimistulemusi. Professor Peeter Saari töörühmal õnnestus registreerida ülilühikeste impulsside difrageerumist ajas ja ruumis.
Difraktsiooninähtuse üheks ilminguks on see, kui valgus kaldub kõrvale sirgjoonelisest levikust. See tähendab sisuliselt, et valgus nii-öelda kaardub ka talle ette seatud takistuse varju taha. Katses näitas autor, et ülilühikese valgusimpulsi difrageerumisel ümmarguselt avalt, kettalt või pilult moodustub tõkke taha ka superluminaalselt, aeglustuvalt leviv lokaliseeritud laine.
Rakendused teaduses ja tulevikus
Lokaliseeritud laineid ei uurita ilmaasjata. Praegu rakendatakse neid füüsikalistes eksperimentides ja ka teistes teadussuundades. Ülilühikeste lainete abil saab moodustada optilisi pintsette, mille abil manipuleeritakse aatomite ja molekulidega. Samuti leiavad sellised lained kasutust töös mikroosakestega ning -organismidega ja fluorestsentsmikroskoopias ning plasma uurimisel, näiteks plasmakanali juhtimiseks mööda kindlat trajektoori.
Lokaliseeritud lainete uurimisel saadud tulemuste rakendamist peetakse väga perspektiivikaks suunaks ka tuleviku optiliste kujutiste edasikandmist süsteemides, esimesed eksperimendid selles vallas on juba tehtud. “Telekommunikatsioonis on valguskuuli saatmine veel helesinine unistus,” sõnas Valtna-Lukner. “Iseasi, kas just lokaliseeritud lained sobivad seda unistust täitma.”
