Гиротропия среды – совокупность оптических свойств среды, имеющей по крайней мере одно направление, не эквивалентное обратному, связанных с проявлением эффектов пространственной дисперсии первого порядка; важнейшие из них – эллиптическое двойное лучепреломление и эллиптический дихроизм (частный случай – вращение плоскости поляризации). Явление гиротропии было обнаружено Д.Ф. Араго (D.F. Arago) в 1811 году в экспериментах с кристаллическими пластинами кварца, вырезанными перпендикулярно оптической оси.
Уравненияния связи для гиротропной среды имеют вид:
,где D - индукция, E - напряжённость электрического поля световой воллны, ε - тензор диэлектрической проницаемости, γ - тензор гирации 3-го ранга.
Для прозрачных немагнитных сред и плоских монохроматических волн уравнение можно записать в виде:
,где k - волновой вектор,
g - опсевдотензор гирации второго ранга.
Такой вид уравнения означает, что ответ среды – индукция D – на внешнее возмущение – поле E – зависит не только от поля в рассматриваемой точке, но и от поля в некоторой окрестности радиуса а, т.е. учитывается нелокальность связей между векторами поля.
Для возникновения гиротропии необходимо:
- заметное изменение фазы световой волны на характеристическом расстоянии а молекулярного взаимодействия, создающего пространственную дисперсию (параметром а могут быть размеры молекул, межмолекулярные расстояния, постоянная кристаллическая решётки, длина свободного пробега электронов, экситонов и т.д.)
- наличие в рассматриваемом объекте определенной дисимметрии (хиральности) – прежде всего отсутствие центра симметрии.
Гиротропия может быть как естественной, так и индуцированной, наведённой какими-либо полями (электрическими, магнитными) или деформацией, а также в сильных световых (лазерных) полях возможна нелинейная оптическая активность.
Если гиротропия обусловлена внутримолекулярными взаимодействиями и локализованными в молекуле возбуждениями, то параметр а отождествляется с размерами молекулы и внутримолекулярными расстояниями. В этом случае говорят о «молекулярной» гиротропии, связанной с оптической активностью молекул.
Если причиной гиротропных свойств кристалла являются межмолекулярные взаимодействия и делокализованные возбуждения или движение свободных носителей, параметром а соответственно служат межмолекулярные расстояния, радиус молекулярного действии, размеры элементарной ячейки и т.д. В этом случае говорят о «кристаллической» гиротропии.
В случае молекулярной гиротропии диссимметрична внутренняя структура самой молекулы, а при кристаллической гиротропии диссимметрична структура кристалла (хотя молекулы в свободном состоянии могут быть и симметричными). Следует отметить тот факт, что процессы, приводящие к появлению молекулярной оптической активности, могут охватывать всю молекулу в целом. Типичным примером является молекула гексагелицена (рис.1), где цепочка бензольных колец расположена по спирали. Здесь все процессы рассеяния фотонов разыгрываются в диссимметричном облаке полностью делокализованных электронов, т.е. возбуждается вся молекула.
Молекула гексагелицена
Рис.1
В других случаях оптическая активность молекулы может быть связана с наличием в ее структуре асимметричного центра. Примером может служить известный в стереохимии асимметричный атом углерода – атом углерода, соединенный с четырьмя разными заместителями.
В кристалле могут существовать одновременно оба вида гиротропии. Таким образом, гиротропией могут обладать и вещества, состоящие из оптически неактивных молекул, а с другой стороны, вещество, состоящее из оптически активных молекул (так называемый рацемат), может и не вращать плоскость поляризации. Весьма загадочным представляется тот факт, что все наиболее важные ткани живых организмов гиротропны, а именно: образованы хиральными молекулами, находящимися преимущественно в одной из двух зеркальных форм. В неживой природе количество правых и левых молекул в среднем обычно одинаково (рацемическая смесь).
Вращение плоскости поляризации, круговой дихроизм, циркулярная поляризация люминесценции есть частные проявления гиротропии – пространственной дисперсии первого порядка. Пространственная дисперсия, как известно, есть следствие нелокальности связей между векторами поля, т.е. влияния на процессы в данной точке среды процессов, происходящих в соседних областях, если это влияние передается со скоростью, сравнимой со скоростью света в среде.
Гиротропия в существенной мере определяет поляризацию и показатели преломления электромагнитных волн в среде. Благодаря этому обстоятельству, изменяя характеристики гиромагнитной среды, управляют свойствами электромагнитного излучения, а измеряя параметры электромагнитных волн, определяют характеристики гиротропной среды, в частности, с гиротропией связаны эффекты Фарадея эффект и Коттона – Мутона, а также существование свистящих атмосфериков в ионосфере и геликонов в плазме твёрдого тела, возникновение обыкновенных и необыкновенных волн в ферритах и ферродиэлектриках и т.д. Кроме того, при большой интенсивности излучения гиротропия способна оказывать существенное влияние на нелинейное взаимодействие волн и на характер их воздействия на среду (например, при нелинейном воздействии радиоволн на ионосферу).
Реализации эффекта
Высокочастотная электрооптическая модуляция в среде с гиротропией позволяет расширить возможности обычных электрооптических устройств за счет преобразования фазовой модуляции в межмодовую связь. Кроме того, в результате смещения фазового синхронизма при межмодовом преобразовании с нулевой частоты в высокочастотную область частот модуляции появляется возможность реализовать эффективное широкополосное межмодовое преобразование. Не известной ранее особенностью межмодового преобразования является увеличение частоты, соответствующей максимальному преобразованию, по сравнению с частотой синхронизма для длин взаимодействия, меньших длины поляризационных биений. На основе этих эффектов могут быть созданы модуляторы состояния поляризации и сдвигатели частоты света в гигагерцовом диапазоне частот. Особенно перспективно создание многослойных интегрально-оптических структур на основе электрооптических полимеров, в которые добавлены оптически активные молекулы.
Литература
1.Физическая энциклопедия / Гл. ред. А.М. Прохоров. Ред. кол.: Д.М. Алексеев, А.М. Балдин, А.М. Бонч-Бруевич, А.С. Боровик-Романов и др.– М.: Советская энциклопедия. Т.1. Ааронова – Длинные. 1988. 704 с., ил. Стр. 490–491.
2.Ландау Л.Д., Лифшец Е.М. Теоретическая физика. Том 8. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982. – 621 с.: ил. Стр. 476–477