Світло зазвичай рухається прямолінійно, але сучасна фізика дедалі частіше змушує його поводитися зовсім інакше. Нещодавно вчені продемонстрували явище, яке ще донедавна здавалося майже фантастичним: вони створили так звані «оптичні торнадо» — закручені потоки світла, що нагадують мікроскопічні вихори. Це відкриття не лише розширює наше розуміння природи світла, а й відкриває нові можливості для технологій майбутнього.
Робота дослідників з University of Warsaw показала, що складні структури світла можна отримати без громіздких установок чи складних наноструктур. Ключем до цього стали рідкі кристали — матеріали, які поєднують властивості рідини та твердого тіла. Усередині них вчені створили особливі мікроскопічні дефекти — торони, що нагадують закручені спіралі, подібні до ДНК, замкнені у форму кільця. Саме ці структури стали своєрідними «пастками» для фотонів — частинок світла.
Ідея натхненна квантовою фізикою, де електрони можуть існувати лише на певних енергетичних рівнях. У цьому випадку дослідники відтворили аналогічну систему, але вже для світла, змусивши фотони «утримуватися» у визначених станах. Проте одного лише захоплення світла було недостатньо — потрібно було змусити його обертатися.
Оскільки світло не реагує на магнітні поля так, як заряджені частинки, вчені створили так зване синтетичне магнітне поле. Воно виникає завдяки властивості рідких кристалів, відомій як двопроменезаломлення: світло з різною поляризацією проходить через матеріал по-різному. Контролюючи цей ефект у просторі, дослідники змусили світло поводитися так, ніби воно перебуває під впливом магнітного поля — воно почало викривлятися та закручуватися у спіраль.
Для підсилення ефекту систему помістили в оптичну мікропорожнину — структуру з дзеркал, яка багаторазово відбиває світло й утримує його всередині. Це дозволило не лише стабілізувати вихори, а й керувати ними за допомогою зовнішньої напруги, змінюючи розмір «пастки» та властивості світла.
Найбільш вражаючим досягненням стало те, що обертове світло вдалося отримати у найнижчому енергетичному стані. Зазвичай подібні структури виникають лише у нестабільних, високoенергетичних умовах. У цьому ж випадку світловий вихор став стабільним і енергетично вигідним, що є критично важливим для практичного застосування.
Щоб підтвердити потенціал технології, дослідники додали лазерний барвник. У результаті отримали світло, яке не лише обертається, а й має властивості лазера: воно когерентне, спрямоване і має чітко визначену енергію. Це означає, що новий підхід може стати основою для створення принципово нових типів лазерів.
Значення цього відкриття виходить далеко за межі фундаментальної науки. Контрольовані світлові вихори можуть використовуватися у високошвидкісних системах зв’язку, квантових обчисленнях і навіть для маніпуляції мікроскопічними об’єктами, адже структуроване світло здатне передавати механічний імпульс.
Водночас дослідження перебуває на ранньому етапі. Попереду — перевірка стабільності таких систем, їхньої ефективності та можливості інтеграції у реальні пристрої. Але вже зараз очевидно: використання саморганізованих матеріалів, таких як рідкі кристали, може суттєво спростити створення складних оптичних структур і наблизити появу нових поколінь фотонних технологій. Дослідження опубліковане в журналі Science Advances.