Lysande vattendroppe blir modell för atomer

Om du viskar vid väggen i kupolen i Sankt Pauls-katedralen i London, kommer du upptäcka att ljudet studsar hela vägen runt kupolens vägg och är hörbart på motsatt sida. Katedralen kallas därför ”det viskande galleriet”.

Samma effekt uppnås när en ljusstråle skickas in i en vattendroppe. Ljusstrålar kommer att reflekteras på vattendroppens inre vägg om och om igen och rotera inuti droppen.

Liksom ljudet i katedralen uppstår ett resonansfenomen och droppen lyser starkare.

Laserljus mot vattendroppe

Forskare vid Göteborgs universitet har använt den nobelprisbelönade tekniken med optiska pincetter för att fixera en vattendroppe med hjälp av laserljus som skjuts mot vattendroppen från två håll.

Laserljuset bryts i vattendroppen och sprids åt olika håll varvid den hålls fast.

– I våra experiment med laserljus kan vi se att ljuset fångas i en vattendroppe. När vattendroppen krymper på grund av förångning, ser det ut som att den blinkar varje gång som storleken är den rätta, säger Javier Marmolejo, doktorand i fysik vid Göteborgs universitet.

Forskarna kan fixera en vattendroppe med hjälp av laserljus som skjuts mot vattendroppen från två håll. Experimenten sker i en laseranläggning. Bild: Göteborgs universitet

Liknar en atom

Storleken på kupolen i Sankt Paulskatedralen kan inte förändras, men en vattendroppe ändrar sin storlek när den förångas.

Forskarna upptäckte då hur droppen blinkade på ett sätt som liknar det som sker när en elektron emitteras från en atom som blir belyst med ljus med varierande våglängd.

De kunde även med en kvantmekanisk analogi förklara hur resonanserna, det vill säga storleken på droppen när ljusspridningen var som störst, motsvarar en atoms energinivåer.

Atommodell i större format

Med detta blir vattendroppen en ”atommodell” där man kan variera storleken. Detta ger en djupare insikt om hur ljus sprids samtidigt som det blir en modell för att förstå hur en hur en atom fungerar.

– Eftersom en vattendroppe är cirka 100 000 gånger större än en atom, så får vi en modell av en atom som syns med blotta ögat, säger Javier Marmolejo.

Med hjälp av laserspektroskopi erhålls information om energinivåer, bindningar och struktur i atomer och molekyler.

Kan användas inom medicinsk forskning

På liknande sätt ger spektrumet av spritt ljus från vattendropparna information om själva dropparna. Detta kan användas för att mäta avdunstningshastigheter för mikroskopiska droppar med hög precision, menar forskarna.

Upptäckten kan appliceras på andra vätskor än vatten och kan till exempel vara till nytta till exempel då man försöker undersöka aerosoldroppar i en inhalator som används inom medicinering. Forskarna ser även att lasertekniken kan användas för att analysera vattenkvalitet på ett nytt sätt.

– Små mängder av föroreningar i vattnet förändrar hur droppen blinkar, vilket öppnar möjligheten för snabba och enkla mätningar av kemiska eller biologiska föroreningar i vattendroppar, säger Javier Marmolejo.

Vetenskaplig studie:

Fano combs in the directional Mie scattering of a water droplet, Physical Review letters.

Kontakt:

Javier Tello Marmolejo, doktorand vid institutionen för fysik på Göteborgs universitet, javier.marmolejo@physics.gu.se