Kaikki fysiikan opiskelijat tietävät, että valo kulkee suoraviivaisesti. Mutta nyt tutkijat ovat osoittaneet, että valo voi kulkea myös kaarevasti ilman ulkoista vaikutusta. Efekti on itse asiassa optinen harha, vaikka tutkijoiden mukaan sillä voisi olla käytännön käyttöä, kuten esineiden liikuttaminen valolla kaukaa.
Tiedetään hyvin, että valo taipuu. Kun valonsäteet kulkevat esimerkiksi ilmasta veteen, ne tekevät jyrkän mutkan; siksi lampeen kastettu tikku näyttää kallistuvan kohti pintaa. Avaruudessa valonsäteet, jotka kulkevat hyvin massiivisten kohteiden, kuten tähtien, lähellä, kulkevat kaarevasti. Kussakin tapauksessa valon taipumisella on ulkoinen syy: Vedessä se johtuu taitekertoimeksi kutsutun optisen ominaisuuden muutoksesta, ja tähdissä se johtuu painovoiman vääntävästä luonteesta.
Se, että valo taipuu itsestään, on kuitenkin ennenkuulumatonta – melkeinpä. 1970-luvun lopulla fyysikot Michael Berry Bristolin yliopistosta Yhdistyneessä kuningaskunnassa ja Nandor Balazs New Yorkin osavaltionyliopistosta, Stony Brookista, havaitsivat, että niin sanottu Airyn aaltomuoto, eli aalto, joka kuvaa sitä, miten kvanttihiukkaset liikkuvat, voi joskus taipua pienen määrän. Tämä työ jäi pitkälti huomiotta, kunnes vuonna 2007 Demetri Christodoulides ja muut fyysikot Orlandossa sijaitsevassa Keski-Floridan yliopistossa tuottivat Airy-aaltojen optisia versioita manipuloimalla laservaloa ja havaitsivat, että näin syntynyt säde kaartui hieman, kun se ylitti ilmaisimen.
Miten tämä itsensä taivuttaminen toimi? Valo on aaltojen sekamelska, ja niiden huiput ja notkahdukset voivat häiritä toisiaan. Esimerkiksi huipun ohi kulkeva huippu kumoaa toisensa synnyttäen pimeyttä; toisen huipun ohi kulkeva huippu ”interferoi rakentavasti” synnyttäen kirkkaan pisteen. Kuvittele nyt, että valoa säteilee leveä kaistale – kenties loisteputki tai, vielä parempi, laser, jonka ulostuloa on laajennettu. Ohjaamalla huolellisesti aaltohuippujen alkuasentoa – aaltojen vaihetta – jokaisella askeleella nauhan varrella on mahdollista saada ulospäin kulkeva valo interferoimaan rakentavasti vain käyrän pisteissä ja mitätöitymään kaikkialla muualla. Airyn funktio, joka sisältää nopeita mutta väheneviä värähtelyjä, osoittautui helpoksi tavaksi määritellä nämä alkuvaiheet – paitsi että tuloksena syntyvä valo taipuisi vain noin 8°:n kulmaan asti.
Nyt fyysikot Mordechai Segev ja kollegansa Israelin teknologiainstituutissa Technionissa Haifassa sanovat, että heillä on resepti, jolla valon saa taivutettua itse itsensä minkä tahansa kulman kautta, jopa täyden ympyrän kautta. Airyn funktion ongelmana on Segevin mukaan se, että sen värähtelyjen muoto määrittää oikeat vaiheet vain pienissä kulmissa; paljon yli 8°:n kulmissa muodosta tulee karkea approksimaatio. Niinpä hänen ryhmänsä kääntyi Maxwellin yhtälöiden puoleen, 150 vuotta vanhojen matemaattisten kaavojen kvartetin, joka kuvaa sähkömagneettisten aaltojen, kuten valon, etenemistä. Vaativan matematiikan ja arvailujen jälkeen tutkijat löysivät Maxwellin yhtälöille ratkaisut, jotka kuvaavat täsmällisesti ne alkuvaiheet, joita aidosti itsestään taipuva valo vaatii, kuten he raportoivat tällä viikolla Physical Review Letters -lehdessä.
”Airyn funktio on likimääräisen tapauksen ratkaisu”, Segev sanoo. ”Jos haluat mennä suuriin kulmiin, täytyy olla oikea muoto. Ihmiset luulivat, että oikeaa muotoa ei ole, että ratkaisu hajoaisi aina – mutta olemme osoittaneet, että se on väärin.”
Segevin ryhmän työ saattoi jäädä teoreettiseksi, mutta sattumalta John Dudleyn johtama ryhmä Franche-Comtén yliopistossa Besançonissa Ranskassa on tehnyt omia kokeitaan itsestään taipuvasta valosta. Muokkaamalla olemassa olevaa Airyn funktiota Dudleyn ryhmä onnistui löytämään alkuvaiheen arvot, jotka sopivat israelilaisen ryhmän ratkaisuun, vaikka se ei tiennytkään siitä. Käyttämällä spatiaaliseksi valomodulaattoriksi kutsuttua laitetta laajentuneen laservalonsäteen vaiheen esisäätöön ranskalaisryhmä havaitsi, että tuloksena syntyvä valo taipui itsestään jopa 60°, kuten se raportoi myöhemmin tässä kuussa ilmestyvässä Optics Letters -lehdessä.
Itsestään taipuva valo voisi antaa siistin käänteen optisille pinseteille. Nämä 1980-luvulla kehitetyt laitteet käyttävät voimakkaan laservalon synnyttämää voimaa pitämään mikroskooppisia esineitä ilmassa. Segev uskoo, että korvaamalla lasersäteet itsestään taipuvalla valolla tutkijat voisivat pakottaa kiinniotetut esineet kulkemaan monimutkaisia polkuja pitkin koskematta niihin. Näin kaareva valo voisi valikoivasti siirtää soluja pois biologisesta näytteestä, mikä olisi bioinsinöörien etu.
Arizonan yliopistossa Tucsonissa työskentelevä fyysikko Pavel Polynkin ehdottaa toista sovellusta: -polttamalla kaareva reikä materiaalin läpi, mikä olisi mahdotonta tavallisella laserilla. Mutta tällaisista sovelluksista huolimatta hän huomauttaa, että itse valo ei todellisuudessa kaarru, se vain näyttää siltä, koska interferenssikirkkauspisteet asettuvat riviin. Itse asiassa suurin osa valon tehosta ei hänen mukaansa suuntaudu kirkkaaseen käyrään, vaan himmeisiin alueisiin, jotka on mitätöity. ”En kiistä artikkelin tieteellistä merkitystä”, hän lisää. ”Siinä kerrotaan tärkeästä panoksesta. … mitään fysiikan peruslakeja ei ole toistaiseksi rikottu – ja se on mielestäni hyvä asia.”