Світло, що закручується як мушля: фізики створили оптичний ротатум

Сучасна оптика та фотоніка вже давно вийшли за межі простого фокусування чи перенаправлення світлових променів. Вчені активно досліджують та використовують так зване «структуроване світло» — промені зі спеціально заданою формою хвильового фронту, поляризацією або інтенсивністю. Одним із найвідоміших прикладів є оптичні вихори — пучки світла, що мають гвинтоподібну (штопороподібну) структуру хвильового фронту і несуть орбітальний кутовий момент. Ці «закручені» промені сьогодні знаходять застосування в оптичній мікроманіпуляції (оптичні пінцети), мікроскопії надвисокої роздільної здатності, квантовій інформації та системах оптичного зв'язку.

Однак прагнення до ще більшого контролю над властивостями світла не зупиняється. Дослідники з Гарвардської школи інженерних та прикладних наук імені Джона А. Полсона (SEAS) повідомляють про створення нового, раніше не баченого типу оптичного вихору. Цей промінь не просто закручується під час поширення, але й робить це нерівномірно: його «ступінь закрученості» або просторовий крутний момент змінюється в різних частинах пучка з різною швидкістю, створюючи унікальні та складні світлові візерунки. Дивовижним чином ця поведінка світла нагадує спіральні форми, що часто зустрічаються в природі.

Запозичивши термін з класичної механіки, дослідники назвали свій новий світловий вихор «оптичним ротатумом» (optical rotatum). В ньютонівській фізиці «ротатум» (іноді його називають ривок кутового моменту) означає швидкість зміни крутного моменту, що діє на об'єкт, з часом. В оптичному аналозі, створеному гарвардськими вченими, «ротатум» описує, як поступово змінюється просторовий крутний момент світлового пучка під час його поширення.

Оптичний ротатум був створений у лабораторії Федеріко Капассо, професора прикладної фізики та старшого наукового співробітника з електротехніки в SEAS. «Це нова поведінка світла, що полягає в тому, що оптичний вихор поширюється в просторі та змінюється незвичним чином», — пояснює професор Капассо. «Він потенційно може бути корисним для маніпулювання дрібними частинками матерії». Результати дослідження опубліковані в журналі Science Advances.

Під час аналізу поведінки створеного пучка вчені зіткнулися з несподіваним і захоплюючим відкриттям. Виявилося, що їхній промінь світла, що несе орбітальний кутовий момент, еволюціонує за математично впізнаваним зразком, який повсюдно зустрічається в природному світі. Подібно до послідовності чисел Фібоначчі (що стала широко відомою завдяки роману «Код да Вінчі»), їхній оптичний ротатум поширюється за логарифмічною спіраллю. Такі спіралі можна побачити у формі мушлі наутилуса, розташуванні насіння в суцвітті соняшника, вигинах рогів деяких тварин та навіть у структурі гілок дерев і галактик. Цей тип спіралі характеризується тим, що відстань від центру до точки на кривій зростає експоненційно з кутом повороту.

«Це був один з неочікуваних яскравих моментів цього дослідження», — зізнається перший автор статті Ахмед Дорра, колишній науковий співробітник лабораторії Капассо, а нині доцент Технологічного університету Ейндховена. «Сподіваємося, ми зможемо надихнути інших фахівців з прикладної математики на подальше вивчення цих світлових патернів та отримання унікальних уявлень про їх універсальну природу». Зв'язок між фундаментальною фізикою світла та універсальними математичними законами, що описують природні форми, є надзвичайно цікавим напрямком для подальших роздумів.

Технічно, це дослідження спирається на попередню роботу команди, в якій вони використовували метаповерхню — тонку плівку або пластину, вкриту наноструктурами, що здатні маніпулювати світлом на субхвильовому рівні. За допомогою таких метаповерхонь вчені вже вміли створювати світлові пучки з контрольованою поляризацією та орбітальним кутовим моментом вздовж шляху їх поширення, перетворюючи будь-яке вхідне світло на інші структури, що змінюються під час руху. Тепер же вони додали ще один ступінь свободи до керування світлом, отримавши можливість змінювати також його просторовий крутний момент під час поширення.

«Ми демонструємо ще більшу універсальність контролю, і ми можемо робити це безперервно», — зазначає Альфонсо Пальмієрі, аспірант лабораторії Капассо та співавтор дослідження.

Які ж потенційні застосування може мати такий екзотичний промінь світла? Дослідники припускають, що його можна використовувати для контролю над дуже дрібними частинками, наприклад, колоїдами в суспензії. Змінний крутний момент світла може створювати новий тип сили, що діє на частинки, дозволяючи не лише захоплювати їх (як у стандартних оптичних пінцетах), але й обертати їх зі змінною швидкістю або переміщувати вздовж складних траєкторій. Це могло б уможливити створення високоточних оптичних пінцетів для мікроманіпуляцій у біології, медицині чи матеріалознавстві. Також не виключені застосування в оптичному зв'язку, де додатковий ступінь свободи (змінний крутний момент) міг би використовуватися для кодування інформації.

Важливо зазначити, що хоча інші дослідницькі групи раніше демонстрували світло зі змінним крутним моментом, для цього зазвичай були потрібні лазери високої інтенсивності та громіздкі експериментальні установки. Гарвардська команда змогла створити свій «оптичний ротатум» за допомогою відносно простого обладнання: одного рідкокристалічного просторового модулятора світла (SLM) та променя низької інтенсивності. Демонстрація можливості створення ротатума за допомогою інтегрованого пристрою, сумісного з промисловими технологіями, значно знижує бар'єр для практичного впровадження цієї технології порівняно з попередніми демонстраціями. Це відкриває шлях до розробки компактних та доступних пристроїв на основі цього нового принципу керування світлом.

Відкриття оптичного ротатума є ще одним кроком у захоплюючій галузі структурованого світла, що демонструє дивовижну здатність вчених не лише розуміти фундаментальні властивості світла, але й керувати ними з дедалі більшою точністю та складністю, знаходячи при цьому несподівані паралелі з універсальними законами та формами, що існують у природі.