Физики обнаружили, что свет может самопроизвольно формировать области с левым и правым направлением вращения, распространяясь в свободном пространстве. Для этого не нужны специальные линзы, зеркала или искусственно созданные материалы: достаточно заранее задать световому пучку определенную внутреннюю структуру. Открытие может помочь в разработке более чувствительных медицинских тестов, оптических систем связи и квантовых технологий.

Исследование провела международная команда под руководством ученых из Университета Восточной Англии в Великобритании совместно с коллегами из Южной Африки. Результаты опубликованы в журнале Light: Science & Applications в статье Topological Control of Chirality and Spin with Structured Light.

Как свет может вращаться, не меняя направления движения

У света есть несколько свойств, связанных с вращением. Одно из них — оптический вихрь: в таком световом пучке волновой рисунок закручивается вокруг направления распространения, напоминая штопор. Другое — спин, связанный с поляризацией, то есть характером колебаний электрического поля световой волны.

Направление вращения может быть левым или правым. Это свойство называют хиральностью. Оно встречается не только в оптике: например, многие молекулы существуют в двух зеркальных формах, которые могут по-разному взаимодействовать с живыми организмами. Поэтому способность различать левую и правую хиральность важна для химии, фармакологии и биомедицины.

Ранее для получения и управления необычными вращательными характеристиками света часто требовались специальные оптические компоненты или тщательно спроектированные поверхности. Новая работа показывает, что в определенных условиях нужное поведение может возникать непосредственно при распространении правильно подготовленного пучка.

«Он изначально вообще не имеет спина», — объяснил студент магистратуры Лайт Мхумбуза, проводивший ключевые эксперименты. По его словам, по мере движения пучка вперед появляются и разделяются области с вращением — словно спин сначала был скрыт, а затем проявился.

Иными словами, исследователи не заставляют свет вращаться с помощью внешнего устройства. Они задают начальную структуру пучка, которая определяет, где и как проявится вращательное поведение.

Математическая структура, управляющая светом

Чтобы объяснить эффект, ученые обратились к топологии — разделу математики, изучающему свойства объектов, сохраняющиеся при непрерывном растяжении и деформации.

Исследователь из Университета Витватерсранда в Южной Африке Исаак Нейп предложил наглядную аналогию: кружку и пончик можно представить как формы с одним отверстием. Их геометрию можно непрерывно изменить одну в другую, не разрывая поверхность. Наличие отверстия в данном случае — топологическое свойство.

У структурированного света тоже есть топологические характеристики, заложенные в распределении поляризации. Эта структура влияет на то, как разные участки пучка меняются во время распространения, в том числе на появление областей с левым и правым направлением вращения.

По словам Нейпа, топология дает ученым новый способ управления светом: изменяя его начальную структуру, можно настраивать, где именно проявляется хиральность.

Это не означает, что свет начинает вращаться совершенно произвольно или что ученые обнаружили новый вид энергии. Речь идет о ранее недооцененной связи между внутренней геометрией светового пучка и его поведением в пространстве.

Зачем это нужно медицине и системам связи

Один из возможных вариантов применения открытия — более чувствительный анализ химических и биологических веществ. Многие молекулы имеют левую и правую формы, которые могут различаться по воздействию на организм. Управляемый свет потенциально позволит точнее обнаруживать такие различия, в том числе при исследовании лекарств и поиске биологических маркеров заболеваний.

Если принцип удастся использовать в практических приборах, он может помочь создавать компактные оптические сенсоры, которым не потребуется сложная лабораторная аппаратура.

Еще одно направление — передача данных. Световые пучки с разными пространственными и вращательными характеристиками могут служить дополнительными способами кодирования информации. Это потенциально позволит увеличить объем данных, передаваемых одним пучком, и найти новые решения для оптической связи и квантовых сетей.

Исследователи также рассматривают возможности использования структурированного света для управления микроскопическими частицами, клетками и молекулами. Топологические свойства могут оказаться полезными и в квантовых системах, где важно защитить информацию от определенных видов помех.

Однако пока это возможные направления дальнейших исследований, а не готовые технологии. Само открытие демонстрирует новый способ управлять светом, но его практическая ценность будет зависеть от того, удастся ли превратить лабораторный эффект в надежные и экономически оправданные устройства.

Почему это открытие важно

Свет изучают столетиями, а современные оптические системы позволяют создавать сложные волновые структуры с высокой точностью. Тем не менее исследование показывает, что некоторые необычные эффекты можно получить не за счет дополнительного оборудования, а благодаря правильной организации самого светового пучка.

Для этого необходимо заранее настроить его внутреннюю структуру, после чего особенности вращения возникают по мере распространения в свободном пространстве. Такой подход добавляет еще один инструмент к методам управления светом и может упростить создание некоторых оптических устройств.

Как отметил руководитель исследования Кейн Форбс из Университета Восточной Англии, свет оказался гораздо сложнее и богаче по своим свойствам, чем кажется на первый взгляд. Необычное поведение, продемонстрированное командой, не возникло недавно — ученые научились выявлять и контролировать его лишь теперь.