Физики создали тороидальный вихрь света

Физики экспериментально получили устойчивый тороидальный вихрь света, подобный кольцам сигаретного дыма. Для этого ученые конформно преобразовали решение уравнения Максвелла в виде трубки света в решение, которое описывает тороидальный вихрь, а затем использовали это преобразование на практике. Статья опубликована в Nature Photonics.

Тороидальные вихри или вихревые кольца представляют собой структуры в форме бублика, который распространяется перпендикулярно себе и одновременно проворачивается вокруг своей круговой оси. В природе вихревые кольца — не редкость. Например, тороидальный вихрь из крови возникает при быстром заполнении левого желудочка сердца, тороидальные вихри участвуют в рождении микропрорывов и грибовидных облаков, а дельфины создают под водой вихревые кольца из воздуха ради забавы.

Науке известны и более необычные примеры тороидальных вихрей: ученые обнаружили вихревые кольца из магнитных моментов в постоянном магните, а также численно показали, что при столкновении протона с ядром золота возникает расширяющееся тороидальное кольцо из кварк-глюонной плазмы. Однако тороидальный вихрь из света ученые до недавних пор не наблюдали, несмотря на то, что в вакууме фотоны могут двигаться не совсем прямолинейно.

Дело в том, что свет может обладать орбитальным угловым моментом, который отличается от спина фотона тем, что первый связан с формой волнового фронта света, а второй — с его поляризацией. На практике это означает, что поляризованный по кругу фотон движется прямолинейно, вращаясь вокруг своей оси, тогда как фотон, обладающий ненулевым орбитальным моментом, движется по спирали, так что на оси вращения интенсивность света нулевая (последнее связано с тем, что в центре волны света компенсируют друг друга).

Понять природу этого явления может помочь эксперимент по закручиванию пучка света. Для этого свет лазера пропускают через дифракционную микрорешетку, в которой одна из линий раздваивается на две и более, образуя вилку, так что в нижней половине решетки звеньев меньше, чем в верхней. Когда пучок света будет проходить через решетку, дифракционные максимумы, которые рождает решетка снизу, будут отклоняться сильнее, чем рожденные решеткой сверху, поскольку шаг верхней решетки меньше. В полученной дифракционной картине во всех максимумах, кроме главного, свет будет закручен в форме колец, причем чем дальше дифракционный максимум от центра, тем сильнее он закручен.

Одну из таких закрученных «трубок» света группа физиков под руководством Цивэнь Чжана (Qiwen Zhan) из Шанхайского университета науки и технологий сумела преобразовать в тороидальный вихрь с помощью системы фазосдвигающих масок, которые преренаправляют фотоны в пучке.

Чтобы понять, как необходимо преобразовывать пучок света, физики рассмотрели волновую функцию трубки света и преобразованием полярно-логарифмических координат в прямоугольные превратили ее в волновую функцию вихревого кольца. Затем ученые произвели еще одно преобразование координат, уже из прямоугольных в полярно-логарифмические, чтобы выпрямить свет, оставив тороидальную форму пучка. Подобные преобразования сохраняют углы между любыми двумя прямыми и называются конформными. Конечное состояние так же удовлетворяло уравнениям Максвелла, как и исходное, а значит, было осуществимо на практике.

Во второй части исследования ученые экспериментально воссоздали тороидальный вихрь света и изучили его структуру. Для этого импульс лазера сначала разбили на два одинаковых импульса: опорный и сигнальный. Опорному импульсу придали орбитальный угловой момент с осью вращения перпендикулярной направлению движения. Получившуюся трубку света физики пропустили через две фазосдвигающие маски, которые осуществляли необходимые конформные преобразования. В итоге ученые получили тороидальный вихрь, в котором свет закручен снаружи внутрь по ходу движения.

Одновременно с этим для исследования трехмерной структуры полученного вихря физики укоротили сигнальный импульс и, пропустив его через систему зеркал, которая могла менять длину его пути, направили на тороид. Благодаря маленькой длительности и возможности регулировать длину хода такой импульс мог интерферировать с каждым тонким срезом тороида, так что по испускаемой интерференционной картине можно было судить о структуре среза. Проведя серию столкновений лазерных импульсов, физики вычислили трехмерное изображение основного импульса, чья интенсивность и фаза соответствовали тороидальному вихрю.

Ученые утверждают, что полученная ими технология создания тороидальных вихрей может быть распространена на другие спектры: от гамма-лучей и электронных пучков до акустики и гидродинамики, а потому может пролить свет на физику тороидальных вихрей в различных средах, открыть новые возможности для переноса энергии и информации и способствовать созданию новых типов манипуляторов.

За тридцать лет после открытия орбитального углового момента фотонов ученые провели множество не менее интересных и важных экспериментов с закрученным светом. Так, физики научились закручивать свет в три концентрические спирали разного диаметра, запутали поляризацию и орбитальный момент разных фотонов, а также намагнитили гелиевый газ с помощью закрученного света.

Елизавета Чистякова