Закрученность света может изменяться порциями в два раза меньшими, чем считали ранее.

Свет помимо распространения в определенном направлении способен еще и вращаться вокруг него, что характеризуется параметром, названным полным угловым моментом. Как и другие квантовые характеристики, угловой момент дискретен и принимает только определенные допустимые значения. До сих пор считалось, что его величина в соответствии с квантовой теорией должна быть кратна постоянной Планка h – фундаментальной физической константе, которая определяет масштаб квантовых эффектов. Напомним, что, например, энергия фотона равна произведению этой константы на частоту. Соответственно, и минимально возможное изменение углового момента пропорционально h. 

Формирование закрученного света из плоской волны с помощью стеклянной пластинки с толщиной, увеличивающейся по спирали (рисунок en.wikipedia.org).

Круговая поляризация света. Стрелками показан вектор электрического поля при распространении света вдоль оси, направленной вправо (рисунок en.wikipedia.org).

Физики из Тринити колледжа (Дублин, Ирландия) экспериментально обнаружили, что при двумерном распространении света в специально сконструированной установке его полный угловой момент может быть кратен h/2, то есть в два раза меньшей величине. Это открытие важно как для понимания природы и поведения света, так и для его практического использования. Ведь кратность углового момента величине h делает поведение фотонов аналогичным поведению частиц с целым спином (бозонов), а пропорциональность h/2 сообщает фотонам «фермионные» свойства (напомним, что фермионы обладают полуцелым спином). Результаты исследования опубликованы в интернет-журнале Science Advances. 

Для понимания сути явления можно привести аналогию с телом, вращающимся вокруг своей оси. Предшествующие взгляды соответствовали тому, что скорость вращения тела могла изменяться порциями с величиной, пропорциональной h, а ирландские физики обнаружили, что шаг изменения может быть в два раза меньше. 

То, что названо «вращением света» вокруг направления распространения, процесс более сложный, чем вращение тела вокруг оси. Здесь можно выделить две составляющие. Первая – поворот вектора электрического поля световой волны по мере ее распространения в пространстве, называемый круговой поляризацией света и определяющий спин фотона. Вторая – закручивание фронта световой волны, характеризуемое орбитальным угловым моментом. Полный угловой момент фотона представляет собой сумму спинового и орбитального вкладов. В обычном трехмерном случае все эти величины будут пропорциональны h, или, другими словами, соответствующие квантовые числа будут целыми. Если же создать двумерную систему для распространения света, то квантовое число для углового момента может стать полуцелым, что исследователи и наблюдали в данном эксперименте. Отметим, что теоретики предсказывали аналогичный эффект для частиц, которые могут свободно двигаться только в двух из трех измерений пространства, еще с 1980-х годов. 

Если поляризация света известна уже очень давно, то закрученный свет был впервые получен лишь в 1995 году. С этого времени и ведутся его активные исследования. Помимо чисто научного интереса закрученный свет имеет большие перспективы практического использования. Большое количество уровней орбитального момента позволяет использовать их для эффективного кодирования информации в системах связи, а в перспективе и в квантовых компьютерах. Эффекты закрученности света используются в «оптических пинцетах», позволяющих лучом лазера удерживать нанообъекты и манипулировать ими. Также их можно использовать для идентификации объектов и обнаружения их вращения. Последнее, например, нашло применение в астрономии. Исследователи надеются, что их работа откроет новые перспективы. 

По материалам Тринити колледжа