«Optical Rotatum» — вчені відкривають нову структуру світла

«Оптичний ротатум»: дослідники відкрили нову структуру світла

Фізики Гарвардської школи інженерії та прикладних наук ім. Джона А. Полсона (SEAS) описали новий тип світлового пучка — оптичний ротатум, який не лише обертається під час поширення, але й змінюється з різною швидкістю в різних ділянках простору, створюючи унікальні візерунки. Таке поводження світла нагадує спіральні форми, які часто трапляються в природі.

Дослідники назвали нову структуру світла оптичним ротатумом, посилаючись на класичну механіку. У ньютонівській фізиці rotatum описує швидкість зміни крутного моменту об’єкта з часом — саме це поняття лягло в основу нової термінології, яка описує змінний крутний момент світлової «спіралі». Цей ефект був відкритий у лабораторії Федеріко Капассо, професора прикладної фізики та старшого наукового співробітника з електротехніки в SEAS.

«Це нова поведінка світла — оптичний вихор, що поширюється в просторі й змінюється незвичним чином», — сказав Капассо. «Він потенційно може бути корисним для маніпуляцій з мікрочастинками». Результати дослідження опубліковані в Science Advances.

Світло, що наслідує спіралі природи

Неочікувано для науковців, їхній пучок світла, який несе орбітальний момент імпульсу, формувався за математичною закономірністю, що трапляється в природі: логарифмічною спіраллю. Такий візерунок можна побачити в мушлях наутилуса, у розташуванні насіння соняшника, гілок дерев та у хвилях морського прибою. Ця спіраль також пов’язана з числовою послідовністю Фібоначчі, яка стала популярною завдяки роману «Код да Вінчі».

«Це було одне з несподіваних відкриттів у нашій роботі», — сказав Ахмед Дорра, перший автор дослідження, колишній науковий співробітник лабораторії Капассо, а нині професор Технологічного університету Ейндговена. «Ми сподіваємося, що це надихне фахівців з прикладної математики досліджувати ці світлові структури та виявити їхній універсальний математичний характер».

Більше контролю завдяки метаповерхням

Робота є продовженням попереднього дослідження команди, в якому за допомогою метаповерхні — тонкої лінзи з наноструктурами, що згинають світло — було створено пучок з контрольованою поляризацією та орбітальним моментом імпульсу. Завдяки цьому вони могли перетворювати вхідне світло на структури, що змінюються під час поширення. Тепер науковці додали ще одну ступінь свободи: змінний просторовий крутний момент світла під час його поширення.

«Ми демонструємо ще більшу гнучкість управління світлом, і можемо робити це безперервно», — пояснив Альфонсо Пальєрі, аспірант лабораторії Капассо та співавтор дослідження.

Застосування: від оптичного пінцета до управління наночастинками

Цей екзотичний пучок світла можна буде використовувати для керування мікрочастинками, наприклад, колоїдами у підвішеному стані, завдяки новому типу сили, пов’язаному з крутним моментом світла. Також це відкриває шлях до надточного оптичного пінцета для маніпуляцій з мікроскопічними об’єктами.

Хоча інші дослідники раніше демонстрували світло зі змінним крутним моментом за допомогою потужних лазерів і складного обладнання, команда з Гарварду створила ротатум за допомогою простого рідкокристалічного дисплея і світла низької інтенсивності. Це означає, що їхнє відкриття легко реалізувати в промислових умовах — на відміну від складних попередніх систем. Джерело