Что не так с закрученным светом? Учёные из России и Японии провели эксперимент, который снова меняет основы физики
Долгое время физики были уверены, что знают один простой закон. Хочешь получить закрученный свет — свет, который несется вперёд, да ещё и вертится вокруг своей оси, как пуля из нарезного ствола — обязательно создай ему спиральную дорожку.
Это было как аксиома: нет спирали в системе — нет закрученного света. Физики спали спокойно.
А потом пришли ребята из Томска и сказали: «А давайте попробуем наоборот?»
Что такое закрученный свет?
Чтобы понять масштаб произошедшего, нужно сначала разобраться с самим явлением — **закрученным светом. **
Если обычный свет из лампочки или лазерной указки представить как волну, которая бежит прямо на вас, то закрученный свет — это нечто иное. Его фронт, то есть передний край волны, не плоский, а имеет форму спиральной лестницы или, если хотите, штопора.
У этой закрученности есть и научное название — орбитальный угловой момент (ОУМ).
Зачем вообще физикам понадобился такой свет? Ну, его помощью можно кодировать и передавать в одном и том же оптоволокне в разы больше информации, например (а это уже и интернет нового поколения).
А ещё можно создавать микроскопы, которые видят то, что раньше было скрыто, и даже манипулировать нанообъектами, двигая их, словно невидимой рукой. В общем, вещь в хозяйстве крайне полезная.
В разных столбцах показаны спиральные структуры луча, фазовые фронты и соответствующие распределения интенсивности
Так вот, до недавнего времени в науке действовал железобетонный принцип, который казался очевидным: «хочешь получить вихрь — создай вихрь». Логично же? Чтобы закрутить свет, нужно было создать условия, в которых изначально есть какая-то спиральная симметрия.
Для этого учёные шли на разные ухищрения: например, запускали электроны по спиральным траекториям в специальных установках — ондуляторах. Ну или пропускали обычный свет через хитрые спиральные фазовые пластинки, которые его закручивали, и даже светили через материалы, сама структура которых была похожа на вихрь.
Ондулятор для Австралийского синхротрона
Короче говоря, все были уверены: без начального вращения в системе чуда не произойдёт.
Прямолинейное движение может породить только прямолинейное излучение. Как оказалось, все смотрели на проблему слишком узко (прямолинейно, я бы сказал).
Теоретики и практики
Итак, в 2019 году группа физиков-теоретиков из Томского государственного университета — Олег Богданов, Петр Казинский, Петр Королев, Георгий Лазаренко — и Тимур Тухфатуллин из Алматинского филиала МИФИ выдвинула дикую идею.
Мол, а что если мы возьмем пучок электронов, заставим их лететь идеально прямо, безо всяких спиралей и вихрей, направим на простую золотую пластинку... и получим на выходе полноценный закрученный свет? Коллеги по цеху, наверное, крутили пальцем у виска.
Но томские учёные уперлись. Для этого нужно было выполнить всего пару условий: излучение должно быть когерентным, а сам сгусток электронов — очень маленьким. Идея казалась безумной, потому что ломала все предыдущие представления.
Но теория — это, конечно, круто, но в физике слова нужно подтверждать делом. За проверку этой идеи взялись японские физики-экспериментаторы под руководством Юити Такабаяши. После двух лет подготовки и консультаций с томскими учёными, они были готовы.
Ну а местом действия стал синхротронный центр SAGA Light Source в Японии (там есть большая пушка для разгона элементарных частиц).
Так вот, японские исследователи направили пучок электронов с энергией 220 МэВ (это довольно много) на тонкую позолоченную пластинку, причём строго перпендикулярно, то есть идеально прямо. Сам пучок электронов был сжат до микроскопических размеров, чтобы электроны излучали свет когерентно — синхронно (это ключевой момент!).
Когда заряженная частица на полной скорости пересекает границу двух разных сред — в данном случае, вакуума и металла — возникает так называемое переходное излучение. Именно его и предстояло изучить.
Но как понять, что рождённые фотоны света действительно закручены? Для этого использовали гениальные в своей простоте детекторы — треугольную апертуру (проще говоря, диафрагму с треугольным отверстием) и двойную щель.
Если через треугольник пропустить обычный свет, то на экране сзади будет размытое пятно. А вот если свет обладает той самой закрученностью, дифракционная картина меняется кардинально: на экране появляются три чётких, ярких пятна (в случае с двойной щелью интерференционные полосы света тоже смещаются особым образом).
Результат превзошёл все ожидания. Он был элегантным и в точности соответствовал предсказаниям российских теоретиков.
Слева фрагмент японской установки SAGA LS. Справа — дифракционные картины от закрученного излучения на треугольной апертуре (сверху) и на двойной щели (снизу). Пиксельные графики соответствуют эксперименту, а гладкие картинки справа — теория
Когда электроны летели строго прямо, рождалось излучение с полноценным орбитальным угловым моментом — то есть тот самый закрученный свет. Причём закон сохранения момента соблюдался железно: если поляризация света (его внутреннее вращение) была, скажем, +1, то ОУМ был -1, и наоборот.
Суммарный момент оставался нулевым. Природа не нарушила своих правил, она просто показала новый фокус.
Самое удивительное, что ОУМ оказался свойственен даже такому «простому» излучению, как переходное. Это значит, что закрученные фотоны могут быть вокруг нас, например, в космических лучах, бомбардирующих атмосферу. Мы привыкли думать, что для создания вихря нужен вихрь. Однако оказалось, что даже прямолинейность может порождать спираль, если смотреть достаточно внимательно
Говоря проще, то электрон, летящий прямо, при определенных условиях (эта самая когерентность) заставляет рождающийся свет вращаться вокруг его траектории. Например, чертим мы ровный след на песке, а он вдруг уходит в штопор — вот примерно такой эффект.
И это реально важно?
Если кратко, то да — это капец, как важно. И вот почему.
Во-первых, это фундаментальный сдвиг. Сломана старая догма. Теперь ясно, что он может рождаться в самых неожиданных местах — например, при прямолинейном движении частиц высоких энергий в космосе.
Ну а во-вторых, это дорога к новым технологиям. Если раньше для получения закрученного света нужны были сложные и дорогущие установки, вроде ондуляторов в синхротронах, стоимостью в миллионы долларов. Теперь принцип показан на относительно доступной установке (электронный пучок + золотая пластинка). Это значит, что в будущем мы можем получить компактные источники такого света.
Тут уже можно и помечтать. Например, закрученный свет может нести в себе гораздо больше информации одновременно, чем обычный лазер — то есть квантовый интернет становятся чуть реальнее.
Это и новые, более чувствительные и дешевые детекторы для изучения космических лучей. Это и потенциальные применения в квантовых вычислениях — закрученные фотоны могут быть более устойчивыми к помехам, чем некоторые другие кубиты.
А ещё с его помощью можно достигать невероятного разрешения и получать 3D-изображения микрообъектов (например, вирусов внутри живой клетки), не разрушая их, или крутить крошечные объекты (наночастицы, клетки) лазерным пинцетом, что можно использовать и в медицине, и в сборке всяких наноустройств.
Ну и теоретически, такие лучи могли бы передавать момент вращения на расстоянии, что интересно для управления спутниками или даже концептов двигателей.
Короче говоря, физики в замешательстве, технологии в предвкушении.
И самое вкусное — сделано это не на адронном коллайдере за миллиарды, а на относительно скромной установке.
Вот почему важно держать мозг в тонусе и мыслить нестандартно — природа всегда найдёт, чем удивить.
Такие дела.