Ֆիզիկոսները հայտնաբերել են, որ լույսը կարող է ինքնաբուխ ձևավորել ձախ և աջ պտույտի ուղղություններով տիրույթներ՝ տարածվելով ազատ տարածության մեջ։ Դրա համար պետք չեն հատուկ լինզաներ, հայելիներ կամ արհեստականորեն ստեղծված նյութեր. բավական է լույսի փնջին նախապես տալ որոշակի ներքին կառուցվածք։ Բացահայտումը կարող է օգնել ավելի զգայուն բժշկական թեստերի, օպտիկական կապի համակարգերի և քվանտային տեխնոլոգիաների մշակմանը։

Հետազոտությունն իրականացրել է միջազգային թիմը՝ Մեծ Բրիտանիայի Արևելյան Անգլիայի համալսարանի գիտնականների ղեկավարությամբ՝ Հարավային Աֆրիկայի գործընկերների հետ համատեղ։ Արդյունքները հրապարակվել են Light: Science & Applications ամսագրում՝ Topological Control of Chirality and Spin with Structured Light հոդվածում։

Ինչպես կարող է լույսը պտտվել՝ չփոխելով տարածման ուղղությունը

Լույսն ունի պտույտի հետ կապված մի քանի հատկություն։ Դրանցից մեկը օպտիկական հորձանքն է. նման լույսի փնջում ալիքային պատկերը ոլորվում է տարածման ուղղության շուրջ՝ հիշեցնելով խցանահան։ Մյուսը սպինն է, որը կապված է բևեռացման, այսինքն՝ լույսի ալիքի էլեկտրական դաշտի տատանումների բնույթի հետ։

Պտույտի ուղղությունը կարող է լինել ձախ կամ աջ։ Այս հատկությունը կոչվում է խիրալություն։ Այն հանդիպում է ոչ միայն օպտիկայում. օրինակ՝ շատ մոլեկուլներ գոյություն ունեն երկու հայելային ձևերով, որոնք կարող են տարբեր կերպ փոխազդել կենդանի օրգանիզմների հետ։ Այդ պատճառով ձախ և աջ խիրալությունը տարբերակելու ունակությունը կարևոր է քիմիայի, դեղագիտության և կենսաբժշկության համար։

Ավելի վաղ լույսի անսովոր պտտական բնութագրերը ստանալու և կառավարելու համար հաճախ պահանջվում էին հատուկ օպտիկական բաղադրիչներ կամ մանրակրկիտ նախագծված մակերեսներ։ Նոր աշխատանքը ցույց է տալիս, որ որոշակի պայմաններում անհրաժեշտ վարքագիծը կարող է առաջանալ անմիջապես ճիշտ նախապատրաստված փնջի տարածման ընթացքում։

«Սկզբում այն ընդհանրապես սպին չունի», — բացատրել է մագիստրատուրայի ուսանող Լայթ Մխումբուզան, որը կատարել է հիմնական փորձերը։ Նրա խոսքով՝ փնջի առաջ շարժվելու ընթացքում պտույտ ունեցող տիրույթները հայտնվում և բաժանվում են՝ ասես սպինը սկզբում թաքնված էր, ապա դրսևորվեց։

Այլ կերպ ասած՝ հետազոտողները արտաքին սարքի օգնությամբ չեն ստիպում լույսին պտտվել։ Նրանք սահմանում են փնջի սկզբնական կառուցվածքը, որը որոշում է, թե որտեղ և ինչպես կդրսևորվի պտտական վարքագիծը։

Լույսը կառավարող մաթեմատիկական կառուցվածքը

Էֆեկտը բացատրելու համար գիտնականները դիմել են տոպոլոգիային՝ մաթեմատիկայի այն բաժնին, որն ուսումնասիրում է առարկաների այն հատկությունները, որոնք պահպանվում են շարունակական ձգման և դեֆորմացիայի դեպքում։

Հարավային Աֆրիկայի Վիտվատերսրանդի համալսարանի հետազոտող Իսահակ Նեյպը առաջարկել է տեսանելի համեմատություն. բաժակն ու բլիթը կարելի է պատկերացնել որպես մեկ անցք ունեցող ձևեր։ Դրանց երկրաչափությունը կարելի է անընդհատ փոխել մեկը մյուսի՝ առանց մակերեսը պատռելու։ Այս դեպքում անցքի առկայությունը տոպոլոգիական հատկություն է։

Կառուցվածքային լույսն էլ ունի տոպոլոգիական բնութագրեր, որոնք ներդրված են բևեռացման բաշխման մեջ։ Այս կառուցվածքն ազդում է այն բանի վրա, թե ինչպես են փնջի տարբեր հատվածները փոխվում տարածման ընթացքում, այդ թվում՝ ինչպես են առաջանում ձախ և աջ պտույտի ուղղություններով տիրույթներ։

Նեյպի խոսքով՝ տոպոլոգիան գիտնականներին տալիս է լույսը կառավարելու նոր եղանակ. փոխելով դրա սկզբնական կառուցվածքը՝ կարելի է կարգավորել, թե կոնկրետ որտեղ կդրսևորվի խիրալությունը։

Սա չի նշանակում, թե լույսը սկսում է պտտվել լիովին պատահական ձևով կամ որ գիտնականները հայտնաբերել են էներգիայի նոր տեսակ։ Խոսքը վերաբերում է լույսի փնջի ներքին երկրաչափության և տարածության մեջ նրա վարքագծի միջև նախկինում թերագնահատված կապին։

Ինչու է սա պետք բժշկությանը և կապի համակարգերին

Բացահայտման կիրառման հնարավոր տարբերակներից մեկը քիմիական և կենսաբանական նյութերի ավելի զգայուն վերլուծությունն է։ Շատ մոլեկուլներ ունեն ձախ և աջ ձևեր, որոնք կարող են տարբեր ազդեցություն ունենալ օրգանիզմի վրա։ Կառավարվող լույսը տեսականորեն թույլ կտա ավելի ճշգրիտ հայտնաբերել այդ տարբերությունները, այդ թվում՝ դեղամիջոցների հետազոտության և հիվանդությունների կենսաբանական մարկերների որոնման ընթացքում։

Եթե սկզբունքը հաջողվի օգտագործել գործնական սարքերում, այն կարող է օգնել ստեղծել կոմպակտ օպտիկական սենսորներ, որոնց համար բարդ լաբորատոր սարքավորում չի պահանջվի։

Մեկ այլ ուղղություն տվյալների փոխանցումն է։ Տարբեր տարածական և պտտական բնութագրեր ունեցող լույսի փնջերը կարող են ծառայել որպես տեղեկատվության կոդավորման լրացուցիչ եղանակներ։ Սա տեսականորեն թույլ կտա մեծացնել մեկ փնջով փոխանցվող տվյալների ծավալը և գտնել նոր լուծումներ օպտիկական կապի և քվանտային ցանցերի համար։

Հետազոտողները նաև դիտարկում են կառուցվածքային լույսի օգտագործման հնարավորությունները մանրադիտակային մասնիկների, բջիջների և մոլեկուլների կառավարման համար։ Տոպոլոգիական հատկությունները կարող են օգտակար լինել նաև քվանտային համակարգերում, որտեղ կարևոր է տեղեկատվությունը պաշտպանել խանգարումների որոշ տեսակներից։

Սակայն առայժմ դրանք հետագա հետազոտությունների հնարավոր ուղղություններ են, ոչ թե պատրաստ տեխնոլոգիաներ։ Ինքը՝ բացահայտումը, ցուցադրում է լույսը կառավարելու նոր եղանակ, բայց դրա գործնական արժեքը կախված կլինի նրանից, թե կհաջողվի՞ արդյոք լաբորատոր էֆեկտը վերածել հուսալի և տնտեսապես արդարացված սարքերի։

Ինչու է այս բացահայտումը կարևոր

Լույսը ուսումնասիրվում է դարեր շարունակ, իսկ ժամանակակից օպտիկական համակարգերը թույլ են տալիս բարձր ճշգրտությամբ ստեղծել բարդ ալիքային կառուցվածքներ։ Այնուամենայնիվ, հետազոտությունը ցույց է տալիս, որ որոշ անսովոր էֆեկտներ կարելի է ստանալ ոչ թե լրացուցիչ սարքավորումների հաշվին, այլ հենց լույսի փնջի ճիշտ կազմակերպման շնորհիվ։

Դրա համար անհրաժեշտ է նախապես կարգավորել դրա ներքին կառուցվածքը, որից հետո պտույտի առանձնահատկությունները հայտնվում են ազատ տարածության մեջ տարածվելու ընթացքում։ Այս մոտեցումը լույսի կառավարման մեթոդներին ավելացնում է ևս մեկ գործիք և կարող է պարզեցնել որոշ օպտիկական սարքերի ստեղծումը։

Ինչպես նշել է հետազոտության ղեկավար Քեյն Ֆորբսը Արևելյան Անգլիայի համալսարանից, լույսը իր հատկություններով շատ ավելի բարդ և հարուստ է, քան թվում է առաջին հայացքից։ Թիմի ցուցադրած անսովոր վարքագիծը նոր չէ առաջացել. գիտնականները միայն հիմա են սովորել այն բացահայտել և վերահսկել։