Физики впервые получили динамически закрученный свет
Физики продемонстрировали новое состояние света — закрученный импульс излучения, орбитальный угловой момент которого меняется со временем. Таким образом ученым удалось использовать ранее никем не задействованную степень свободы электромагнитного излучения. Потенциально с помощью таких импульсов можно изучать вещество на нанометровом пространственном масштабе и аттосекундном временном, пишут авторы в журнале Science, иллюстрация из статьи попала на обложку выпуска.
Простейшая электромагнитная волна характеризуется такими величинами, как частота (длина волны), интенсивность и поляризация. Однако в 1992 году физики показали, что можно создать также новое состояние света, которое стали называть закрученным. Оно отличается наличием орбитального углового момента, в результате чего волновой фронт, то есть поверхность одинаковой фазы, становится геликоидальным, похожим на спираль, при этом на самой оси распространения интенсивность света равна нулю. В то же время у обычной плоской волны фронты представляют собой следующие друг за другом плоскости, а у сферической — концентрические сферы.
Закрученный свет в дополнение к энергии и импульсу, переносимому любым излучением, также наделен орбитальным угловым моментом. Из-за этого при поглощении такого света телом оно начнет вращаться вокруг оси. Благодаря этому свойству свет может обеспечивать новые режимы взаимодействия с веществом, управлять поведением объектов на наномасштабе и увеличивать разрешение оптической микроскопии. Также возможно создание закрученных состояний других частиц, таких как электроны.
Одной из основных особенностей закрутки является повышенная информационная емкость по сравнению с другими характеристиками света. В то время как существует максимальная степень поляризации, закрученность теоретически может быть сколь угодно большой, при этом у нее существует два направления. Это позволяет увеличивать плотность передаваемой посредством света информации без изменения других параметров, то есть, не расширяя частотный диапазон.
Однако все созданные ранее пучки света обладали постоянной закрученностью. В работе физиков из Университета Саламанки (Испания), Барселонского института науки и технологии и Колорадского университет в Боулдере (США) под руководством Лауры Рего (Laura Rego) впервые продемонстрирована возможность создания света с меняющейся во времени закруткой. Получающийся пучок либо становится более закрученным по мере движения, либо, наоборот, постепенно уменьшает закрутку.
Авторы придумали способ создавать новое состояние света при помощи эффекта генерации гармоник высокого порядка. Этот феномен нелинейной оптики связан со специфическим взаимодействием нескольких сильных импульсов оптического излучения в некоторых средах (обычно разреженных газах). В результате взаимодействия в таком режиме возникают новые импульсы, причем энергия фотонов в них оказывается во много раз больше, чем у исходных — происходит генерация высоких нечетных гармоник.
Для начала физики разработали теоретическую модель процесса, а затем экспериментально реализовали его, для чего использовали пары импульсов инфракрасного лазера с различной степенью постоянной закрутки. Они попадали на мишень из газообразного аргона с небольшой относительной задержкой, что приводило к генерации импульсов ультрафиолетового излучения с меняющейся во времени закрученностью. Так происходит из-за свойства генерации гармоник высокого порядка на основе закрученных пучков, так как закрученность выходящих импульсов получается выше пропорционально номеру гармоники. Таким образом, если на входе были импульсы с закруткой 1 и 2, то в результате, например, у 17 гармоники закрученность будет меняться вдоль импульса от 17 до 34, так как исходные импульсы перекрываются в изменяющейся пропорции из-за задержки во времени.
При регистрации полученных импульсов основной сложностью оказалось определение динамической закрученности, так как сами импульсы длились всего около 50 фемтосекунд. В результате авторы выделили особенность в пространственном распределении частоты, которая характерна только для пучков света с нужным свойством. Полученные данные оказались в очень хорошем согласии с предсказаниями теории. Авторы отмечают, что полученные импульсы обладают параметрами, соответствующими естественным временными и пространственным масштабам динамики спинов и зарядов в веществе, то есть порядка фемтосекунд и нанометров.
Другой эффект нелинейной оптики, также связанный с генерацией излучения на основе импульсов с временной задержкой, ученые недавно использовали для получения рекордно мощных импульсов терагерцового излучения. Ранее закрученный свет удалось передать на рекордное расстояние по воздуху, отдельные закрученные фотоны отсортировали по радиальному квантовому числу, а свет сверхмощных лазеров предложили закручивать плазменными голограммами.