Как захватить свет в «нигде»: необычный оптический метод, основанный на точках Лагранжа и троянских астероидах

Свет — это один из самых удивительных и полезных феноменов в природе. С его помощью мы можем видеть окружающий мир, общаться на расстоянии, передавать и обрабатывать информацию. Но как мы можем управлять световыми волнами, чтобы они служили нашим целям? Существуют ли альтернативные способы захвата света, которые не основаны на обычных оптоволокнах и линзах?

Оказывается, что для ответа на эти вопросы нам нужно заглянуть в космос и изучить некоторые законы небесной механики. А именно, нам нужно обратить внимание на так называемые точки Лагранжа — специальные позиции в пространстве, где два больших тела, например Солнце и Юпитер, создают особые условия для маленьких тел, например астероидов.

Точки Лагранжа были открыты в XVIII веке знаменитыми математиками Эйлером и Лагранжем, которые показали, что в этих точках гравитационное притяжение двух больших тел может быть точно уравновешено центробежной силой, возникающей из-за вращения системы. Всего таких точек пять, и они обозначаются буквами от L1 до L5.

Некоторые из этих точек, в частности L1 и L2, уже используются человечеством для размещения космических аппаратов, таких как телескоп Джеймса Уэбба или индийский спутник Адитья L1, которые могут стабильно находиться в этих точках с минимальным расходом топлива. Однако наиболее интересными для нас являются точки L4 и L5, которые имеют еще одну удивительную особенность — они могут захватывать и удерживать маленькие тела в своей окрестности, создавая так называемые троянские астероиды.

Троянские астероиды — это группа астероидов, которые обращаются вокруг Солнца по той же орбите, что и планета Юпитер, но находятся в точках L4 и L5, образуя два треугольника с Солнцем и Юпитером. Эти астероиды защищены от столкновений с другими телами благодаря гравитационному влиянию Юпитера и Солнца, которые отталкивают потенциальных нарушителей. Таким образом, троянские астероиды могут существовать в этих точках миллиарды лет, не меняя своего положения.

Но какое это имеет отношение к свету? Оказывается, что аналогичный эффект можно воспроизвести и в оптике, используя не гравитацию, а показатель преломления. Показатель преломления — это физическая величина, которая характеризует, как свет проходит через разные среды. Например, воздух имеет показатель преломления, близкий к единице, а вода — около 1,33. Это означает, что свет замедляется и изгибается, когда переходит из воздуха в воду.

Если показатель преломления зависит от температуры, то можно создать так называемый термооптический эффект, когда изменение температуры в среде приводит к изменению показателя преломления. Это можно использовать для создания оптических волноводов — структур, которые направляют свет по заданному пути. Например, если в цилиндре с жидкостью, имеющей термооптический эффект, пропустить ток через спиральный провод, то можно создать вращающийся градиент температуры и, соответственно, показателя преломления. В такой среде световые лучи будут вести себя подобно троянским астероидам, захватываясь и удерживаясь в точках L4 и L5.

Этот метод захвата света был предложен и экспериментально реализован группой исследователей из Университета Южной Калифорнии, которые опубликовали свои результаты в журнале Nature Physics. Они показали, что световые лучи, называемые троянскими оптическими лучами, могут быть стабильно захвачены и направлены в среде с дефокусирующим показателем преломления, то есть такой, которая обычно рассеивает свет. Более того, они обнаружили, что такие лучи могут быть захвачены в областях, где нет никаких особых структур или неоднородностей, которые могли бы служить в качестве волноводов.

Это открытие имеет множество потенциальных применений в различных областях оптики и фотоники, где требуется управление светом. Например, такие троянские оптические лучи могут быть использованы в лазерных системах, где оптический прирост или потери могут создавать дополнительные силы притяжения или отталкивания лучей в диэлектрических средах. Также возможно использование таких лучей для захвата и транспортировки микро- и наночастиц с помощью оптических тракторных лучей, где можно создавать несколько точек Лагранжа, в отличие от небесной механики.

Кроме того, этот метод захвата света может быть расширен на другие виды волн, такие как акустические или электромагнитные, а также на другие физические системы, такие как сверххолодные атомы или квантовые точки. Возможно, что в будущем мы сможем создавать новые типы волноводов и ловушек для света и других волн, используя не только геометрические формы, но и динамические эффекты, подобные точкам Лагранжа.