Ein beleuchtetes Wassertröpfchen erzeugt ein "optisches Atom"
Ergebnisse eröffnen die Möglichkeit, chemische oder biologische Verunreinigungen in Wassertröpfchen schnell und einfach zu messen
Wenn man ein Wassertröpfchen mit Licht bestrahlt, treten ähnliche Effekte auf wie in einem Atom. Dies kann uns helfen zu verstehen, wie Atome funktionieren, schreiben Forscher der Universität Göteborg in einem neuen Zeitschriftenartikel.
Wenn ein Lichtstrahl auf einen Wassertropfen fällt, wird das Licht im Inneren des Tropfens eingefangen.
Javier Tello Marmolejo
Wer in der Kuppel der St. Paul's Cathedral in London an der Wand flüstert, wird feststellen, dass der Schall von den Wänden der Kuppel rundherum abprallt und auf der gegenüberliegenden Seite hörbar ist. Aus diesem Grund wird die Kuppel der Kathedrale auch als "Flüstergalerie" bezeichnet.
Derselbe Effekt wird erzielt, wenn ein Lichtstrahl auf einen Wassertropfen fällt. Die Lichtstrahlen prallen immer wieder an der Innenwand des Wassertropfens ab und wandern im Inneren des Tropfens hin und her. Wenn der Umfang des Wassertropfens ein Vielfaches der Wellenlänge des Lichts beträgt, tritt ein Resonanzphänomen auf, ähnlich wie der Klang im Inneren der Kathedralkuppel, wodurch der Tropfen heller leuchtet.
Das Tröpfchen blinkt
"In unseren Experimenten mit Laserlicht konnten wir sehen, dass das Licht im Inneren des Wassertropfens gefangen ist. Wenn das Tröpfchen durch Verdunstung schrumpft, scheint es jedes Mal zu blinken, wenn es die richtige Größe hat, um das Resonanzphänomen zu erzeugen", sagt Javier Marmolejo, Doktorand in Physik an der Universität Göteborg und Hauptautor der neuen Studie, die in Physical Review Letters veröffentlicht wurde.
Dank einer mit dem Nobelpreis ausgezeichneten optischen Pinzettentechnik können die Forscher ein Wassertröpfchen mit Laserstrahlen einfangen, die aus zwei Richtungen auf es zielen. Der Laserstrahl wird im Wassertropfen gebrochen und gestreut, wodurch das Licht im Inneren eingefangen wird.
Man kann die Größe der Kuppel der St. Paul's Cathedral nicht verändern, aber ein Wassertropfen ändert seine Größe, wenn er verdampft. Die Forscher entdeckten dann, dass das Tröpfchen auf ähnliche Weise aufblitzte, wie ein Elektron aus einem Atom emittiert wird, wenn es mit Licht verschiedener Wellenlängen beleuchtet wird. Mit Hilfe einer quantenmechanischen Analogie konnten sie auch erklären, wie die Resonanzen - die Größe des Tropfens, wenn die Streuung am größten war - den Energieniveaus eines Atoms entsprechen. Dadurch wird das Tröpfchen zu einem Modell eines Atoms mit dem zusätzlichen Vorteil, dass seine Größe variiert werden kann. Es bietet tiefere Einblicke in die Streuung von Licht und ist gleichzeitig ein Modell für das Verständnis der Funktionsweise von Atomen.
Nützlich für die Arzneimittelforschung
"Da ein Wassertropfen etwa 100.000 Mal größer ist als ein Atom, erhalten wir ein Modell eines Atoms, das mit bloßem Auge sichtbar ist, ein 'optisches Atom'", sagt Javier Marmolejo.
Die Laserspektroskopie liefert Daten über Energieniveaus, Bindungen und Strukturen in Atomen und Molekülen. In ähnlicher Weise liefert das Spektrum des von den Wassertröpfchen gestreuten Lichts Daten über die Tröpfchen selbst. Auf diese Weise können die Verdunstungsraten mikroskopisch kleiner Tröpfchen mit hoher Präzision gemessen werden, so die Forscher. Diese Entdeckung lässt sich auch auf andere Flüssigkeiten als Wasser anwenden und könnte beispielsweise bei der Untersuchung von Aerosoltröpfchen in Inhalatoren für Medikamente nützlich sein. Die Forscher stellen außerdem fest, dass diese Technologie eine neue Möglichkeit zur Analyse der Wasserqualität bietet.
"Geringe Mengen an Schadstoffen im Wasser verändern die Art und Weise, wie die Tröpfchen blinken, was die Möglichkeit eröffnet, schnell und einfach chemische oder biologische Schadstoffe in Wassertröpfchen zu messen", sagt Javier Marmolejo.
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