Belyst vattendroppe skapar en atommodell

Genom att skicka ljus in i en vattendroppe skapas effekter som är analogt med det som sker i en atom. Detta kan hjälpa att förstå hur en atom fungerar, skriver forskare från Göteborgs universitet i en ny vetenskaplig artikel.

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” (”the whispering gallery”).

Samma effekt uppnås när en ljusstråle skickas in i en vattendroppe. Ljusstrålar kommer reflekteras på vattendroppens inre vägg om och om igen och rotera runt inuti droppen. När omkretsen är en multipel av våglängden erhålls ett resonansfenomen, precis för ljudet i katedralen, varvid droppen lyser starkare.

Vattendroppen blinkar

– 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 som är huvudförfattare till en ny studie som publicerats i Physical Review letters.

Det är tack vare den nobelprisbelönade tekniken med optiska pincetter som forskarna kan 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.

Man kan inte ändra storleken på kupolen i Sankt Paulskatedralen, men en vattendroppe ändrar sin storlek när den förångas. Forskarna upptäckte då hur droppen blinkade på ett vis som liknar det som sker när en elektron emitteras från en atom som belyses 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. 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.

Kan appliceras i medicinforskning

– 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. 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.

Länk till artikeln i Physical Review letters: Fano combs in the directional Mie scattering of a water droplet

Kontakt: Javier Tello Marmolejo, doktorand vid Institutionen för fysik på Göteborgs universitet, telefon: 070-017 53 19, e-post: javier.marmolejo@physics.gu.se