Minden fizikát tanuló tudja, hogy a fény egyenes vonalban halad. Most azonban kutatók kimutatták, hogy a fény görbén is képes haladni, minden külső hatás nélkül. A hatás valójában optikai csalódás, bár a kutatók szerint gyakorlati haszna is lehet, például tárgyak mozgatására a fény segítségével távolról.
Az köztudott, hogy a fény elhajlik. Amikor például a fénysugarak a levegőből a vízbe jutnak, éles kanyart vesznek; ezért tűnik úgy, hogy egy tóba mártott bot a felszín felé billen. Az űrben a nagyon nagy tömegű objektumok, például csillagok közelében elhaladó fénysugarak görbékben haladnak. A fényelhajlásnak minden esetben külső oka van: A víz esetében ez a törésmutatónak nevezett optikai tulajdonság megváltozása, a csillagok esetében pedig a gravitáció torzító hatása.
Arról azonban, hogy a fény magától elhajlik, nem hallottunk – majdnem. Az 1970-es évek végén Michael Berry, az Egyesült Királyságbeli Bristoli Egyetem fizikusa és Balazs Nándor, a New York-i Stony Brook-i Állami Egyetem fizikusa felfedezte, hogy az úgynevezett Airy-hullámforma, a kvantumrészecskék mozgását leíró hullám, néha kis mértékben meghajlik. Ezt a munkát nagyrészt figyelmen kívül hagyták egészen 2007-ig, amikor Demetri Christodoulides és más fizikusok az orlandói Közép-Floridai Egyetemen lézerfény manipulálásával létrehozták az Airy-hullámok optikai változatait, és megállapították, hogy az így kapott sugár kissé meggörbült, amikor áthaladt egy detektoron.
Hogyan működött ez az önhajlítás? A fény hullámok összevisszasága, és hullámcsúcsaik és hullámvölgyeik interferálhatnak egymással. Például egy csúcs, amely áthalad egy mélyponton, kioltja egymást, és sötétséget hoz létre; egy csúcs, amely áthalad egy másik csúcson, “konstruktívan interferál”, és fényes foltot hoz létre. Most képzeljük el egy széles csíkból kibocsátott fényt – talán egy fénycsőből, vagy jobb esetben egy lézerből, amelynek kimeneti teljesítményét kibővítették. A hullámcsúcsok kiindulási helyzetének – a hullámok fázisának – gondos szabályozásával a szalag minden egyes lépésénél elérhetjük, hogy a kifelé haladó fény csak a görbe egyetlen pontján interferáljon konstruktívan, mindenhol máshol pedig kioltódjon. A gyors, de csökkenő oszcillációkat tartalmazó Airy-függvény egyszerű módszernek bizonyult e kezdeti fázisok meghatározására – kivéve, hogy a keletkező fény csak körülbelül 8°-ig hajlik el.
Most Mordechai Segev fizikus és kollégái a haifai Technionban, az Izraeli Technológiai Intézetben azt állítják, hogy megvan a receptjük arra, hogy a fény bármilyen szögben, akár egy teljes körön keresztül önhajlítóvá váljon. Segev szerint az Airy-függvénnyel az a probléma, hogy rezgéseinek alakja csak kis szögeknél adja meg a megfelelő fázisokat; 8°-nál sokkal nagyobb szögeknél az alak durva közelítéssé válik. Ezért a csoportja a Maxwell-egyenletekhez fordult, az elektromágneses hullámok, például a fény terjedését leíró matematikai formulák 150 éves kvartettjéhez. Fáradságos matematika és találgatás után a kutatók megtalálták a Maxwell-egyenletek olyan megoldásait, amelyek pontosan leírják a valóban önhajlító fényhez szükséges kezdeti fázisokat, amint arról a héten a Physical Review Letters című folyóiratban beszámolnak.
“Az Airy-függvény egy közelítő eset megoldása” – mondja Segev. “Ha nagy szögekre akarsz menni, kell a megfelelő alak. Az emberek azt hitték, hogy nincs megfelelő alak, hogy a megoldás mindig szétesik – de megmutattuk, hogy ez tévedés”.
Segev csoportjának munkája talán elméleti maradt volna, de egy véletlen folytán a franciaországi Besançonban található Franche-Comté-i Egyetem John Dudley által vezetett csoportja saját kísérleteket végzett az önhajlító fényre vonatkozóan. A meglévő Airy-függvény módosításával Dudley csoportjának sikerült olyan kezdeti fázisértékeket találnia, amelyek megegyeznek az izraeli csoport megoldásával, noha ők nem tudtak róla. A francia csoport egy térbeli fénymodulátornak nevezett eszközzel előzetesen beállította egy kiterjesztett lézerfénysugár fázisát, és azt találta, hogy az így kapott fény akár 60°-kal is elhajlik önmagától, amint arról még ebben a hónapban beszámolnak az Optics Letters című szaklapban.
Az önhajlító fény egy csinos csavart adhat az optikai csipeszeknek. Ezek az 1980-as években kifejlesztett eszközök az intenzív lézerfény által keltett erőt használják arra, hogy mikroszkopikus tárgyakat tartsanak a levegőben. Segev úgy véli, hogy a lézersugarak önhajlító fénnyel való helyettesítésével a kutatók arra kényszeríthetnék a csapdába esett tárgyakat, hogy összetett pályákon haladjanak anélkül, hogy megérintenék őket. Ezáltal az ívelt fény szelektíven elmozdíthatná a sejteket a biológiai mintából – ami a biomérnökök számára áldásos lenne.
Pavel Polynkin fizikus a tucsoni Arizonai Egyetemen egy másik alkalmazást is javasol: -görbe lyukat égetni egy anyagon keresztül, ami hagyományos lézerrel lehetetlen lenne. De az ilyen alkalmazások ellenére rámutat, hogy maga a fény valójában nem görbül, csak látszólag, mert az interferencia fénypontok így sorakoznak. Valójában, mondja, a fény teljesítményének nagy része nem a fényes görbe felé megy, hanem a kioltott halvány területekre. “Nem vitatom a tanulmány tudományos jelentőségét” – teszi hozzá. “Fontos hozzájárulásról számol be. … eddig nem törtek meg alapvető fizikai törvényeket – és ez véleményem szerint jó dolog”.