重磅！首次觀察到分支光流，光也可以像樹一樣，從樹幹無限分支

來自以色列理工學院的科學家首次觀測到分支光流，其研究發現發表在《自然》期刊上，因其重要發現上了《自然》期刊封面。這項研究是由博士生Anatoly(Tolik)Patsyk與Miguel A.Bandres合作進行，Miguel A.Bandres在項目開始時是Technion的博士後研究員，現在是中佛羅裡達大學光學和光子學學院CREOL的助理教授。

這項研究由理工學院校長Uri Sivan教授和理工學院物理和電氣工程學院、固態研究所和Russell Berrie納米技術研究所的傑出教授Mordechai(Moti)Segev領導。當光波在包含幹擾的地貌中傳播時，它們會自然地分散，通常是四面八方的，光的散射是一種自然現象，存在於自然界的許多地方，例如，光散射是天空呈藍色的原因。事實證明，當擾動變化的長度遠遠大於光波長時，光波以一種不尋常的方式散射：

它形成強度增強的通道(分支)，隨著波的傳播，這些通道(分支)繼續分裂為更多分支，這種現象稱為分支流，最早是在2001年用電子觀測到的，並被認為無處不在，自然界中的所有波也都會發生，例如聲波，甚至海浪。現在，Technion的研究人員正在將分支流引入光領域：對分支光流進行了實驗觀察。米格爾·班德雷斯(Miguel Bandres)助理教授說：我們一直有找到新東西的意圖，並渴望找到它，最終找到了這個東西。

像樹枝一樣的分支光流

大家所熟悉波在均勻介質中傳播的事實，但對於其他類型的介質，波的表現方式可能截然不同。當有一個無序的介質，變化是平滑的，就像山脈和山谷的風景一樣，波將以一種特殊的方式傳播。它們將形成隨著波的傳播而不斷分裂的通道，形成一個類似於樹枝的美麗圖案。在研究中，研究小組將雷射束耦合到肥皂膜上，肥皂膜含有隨機變化的膜厚度。

研究發現，當光在肥皂膜中傳播時，光不會被散射，而是會形成細長的分支，從而產生分支光流動現象。在光學領域通常努力讓光保持聚焦，並以準直光束的形式傳播，但在這項研究中，令人驚訝的是，肥皂膜的隨機結構自然導致了這種分支光流的現象，這是大自然給我們的另一個驚喜，只是現在才發現。在光學領域中產生分支流的能力，為研究和理解這一普遍波動現象提供了令人興奮的新機會。

以色列理工學院主席、貝爾託爾多·巴德勒物理系學術主席尤裡·西文教授說：沒有什麼比發現一些新東西更令人興奮的了，這是第一次用光波證明這一現。這表明，在簡單的系統中也可以觀察到有趣現象，人們只需有足夠的洞察力就能發現它們。因此，匯集和結合來自不同背景和不同學科研究人員的觀點，帶來了一些真正有趣的見解。那就用光波觀察它的事實，為研究打開了非凡的新可能性。

在光波中也存在「分支流」現象

首先是可以非常精確地描述光在其中傳播的介質特徵，也可以準確地跟蹤這些分支並研究它們的性質。著名教授莫蒂·塞格夫，羅伯特·J·希爾曼物理學和電氣工程學特聘教授說：展望未來，我總是教育研究團隊超越地平線去思考，去思考一些新的東西，同時看實驗事實的原貌，而不是試圖調整實驗以滿足某些預期的行為。在本研究中，託利克試圖測量一些完全不同的東西，他驚訝地看到了這些他最初無法解釋的「光樹枝」。

故而邀請米格爾加入實驗，一起將實驗大大升級到可以分離出所涉及的物理的水平，花了一年多的時間，最終才明白，這是是一種奇怪的「分支流」現象，在當時，這種現象從未被考慮到光波的背景下。現在，有了這個觀察，可以想出很多的新想法。例如，使用這些光樹枝來控制液體中的流體流動，或者將肥皂與螢光材料結合，使枝條成為小雷射。或者使用肥皂膜作為探索波的基本原理平臺，例如從通常是擴散的普通散射到分支流的轉變。

博科園｜研究/來自：以色列理工學院/美國技術學會

參考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-020-2376-8​

博科園｜科學、科技、科研、科普

關注【博科園】看更多大美宇宙科學