Свет ускоряется в спираль: Почему он так похож на галактики и ракушки?

Представьте себе водоворот в реке или величественное вращение далёкой галактики. Вихри — они повсюду, правда? Но вот сюрприз: свет, который мы привыкли считать чем-то прямым и предсказуемым, тоже умеет закручиваться в самые настоящие вихри. Это не просто лучик, летящий по прямой, а хитро устроенная световая волна с винтообразной структурой. У таких «световых водоворотов» есть даже специальная характеристика — орбитальный угловой момент (сокращённо ОУМ). Говоря по-простому, это мера того, насколько сильно свет «закручен».

Такие закрученные пучки света — не просто забава для физиков. Они уже находят применение: от микроскопических «пинцетов», способных удерживать и вращать крошечные частицы, до продвинутых систем связи, где информация кодируется в самой форме светового луча.

Когда простого вращения мало

До недавнего времени учёные уже неплохо освоились с созданием световых вихрей, ОУМ которых мог плавно меняться по мере движения луча. Представьте, что наш световой вихрь — это волчок, который по мере движения вперёд либо раскручивается всё быстрее, либо, наоборот, замедляет своё вращение. Это явление получило название «пространственный само-момент» — как будто свет сам себе придаёт ускорение или торможение, но делает это линейно, то есть скорость изменения вращения постоянна.

Звучит уже неплохо, да? Но исследователи из Гарвардского университета и Технологического университета Эйндховена решили пойти дальше. А что, если заставить свет менять своё «вращение» не просто с постоянной скоростью, а с ускорением? Чтобы скорость закручивания нарастала всё быстрее и быстрее?

Именно это им и удалось! Они ввели новое понятие — ротатум света. Если проводить аналогию с механикой, то это похоже на «рывок» (jerk), только не для поступательного движения, а для вращения. Это когда меняется не сама скорость вращения (как при само-моменте), а скорость изменения этой скорости. Понимаете? Не просто нажимать на газ, а вдавливать педаль в пол всё сильнее! Для света такого раньше никто не делал и не наблюдал.

Как закрутить свет еще хитрее?

В чём же фокус? Как заставить свет так себя вести? Секрет кроется в очень тонком управлении тем, как световая волна распространяется в пространстве. Учёные придумали способ сделать так, чтобы разные точки по периметру светового вихря двигались вперёд с чуть-чуть разной «пространственной частотой» (это величина, связанная с направлением и длиной волны).

Представьте себе карусель: если разные её части будут вращаться с немного отличающимися скоростями, то вся структура начнёт деформироваться довольно сложным образом. Примерно то же самое происходит и со светом. Создав хитрый «градиент» пространственной частоты по азимуту (то есть по кругу), исследователи добились того, что по мере распространения луча его «закрученность» (ОУМ) начала меняться не линейно, а по квадратичному закону — то есть с ускорением.

Для создания таких необычных световых полей использовали специальные инструменты — пространственные модуляторы света (SLM). Это что-то вроде очень продвинутых проекторов, которые могут формировать свету нужную сложную структуру прямо на старте.

Интересный момент: такое «фигурное катание» световой волны, её адиабатическая (то есть плавная) деформация, приводит к появлению дополнительного фазового сдвига, известного как фаза Гоуи. Этот эффект обычно наблюдается, когда свет проходит через фокус линзы, но здесь он возникает из-за самой перестройки структуры вихря.

Спираль Галилея в луче лазера?

А что же увидели учёные, когда посмотрели на результат своих трудов? Картина оказалась не только сложной, но и на удивление красивой. По мере распространения луча его центральная тёмная область (сердцевина вихря) меняла свой размер, а фазовая структура волны непрерывно «перекручивалась» со всё нарастающей скоростью.

Но самое поразительное ждало на периферии луча. Там, где интенсивность света падает, возникали цепочки мелких фазовых особенностей — сингулярностей. И знаете что? Эти сингулярности выстраивались вдоль линий, напоминающих… логарифмическую спираль! Ту самую, которую мы встречаем в раковинах моллюсков «Наутилус» или в спиральных рукавах галактик. Похоже, природа любит повторять свои изящные узоры на самых разных масштабах. Кривизна этой спирали в свете зависит как раз от того, как быстро меняется ОУМ — линейно или с ускорением, как в случае ротатума.

Зачем всё это нужно?

Хорошо, скажете вы, учёные научили свет ускорять своё вращение, да ещё и получили красивые спиральки. Практическая польза-то есть?

Определённо! Во-первых, это расширяет наши фундаментальные представления о свете и его свойствах. Мы видим, что свет может вести себя гораздо сложнее, чем мы думали. Во-вторых, ротатум света открывает новые возможности для управления светом и его взаимодействием с веществом.

Представьте себе ещё более совершенные оптические пинцеты, которые смогут сортировать микроскопические частицы в трёх измерениях с невиданной точностью. Или новые способы кодирования информации для оптической связи и сенсоров — ведь теперь у света есть ещё одна степень свободы, которую можно использовать. Возможно, такие необычные световые поля пригодятся даже для исследований в экзотических областях физики, например, при взаимодействии лазеров с плазмой или в изучении квантовых материалов.

Мир структурированного света полон сюрпризов. И каждая такая работа, как исследование ротатума, показывает: мы только начинаем постигать все те удивительные «танцы», на которые способна эта фундаментальная основа нашей Вселенной. Кто знает, какие ещё секреты скрывает обычный, казалось бы, свет? Поживём — увидим!