Світло, яке обертається, мов спіральна раковина: вчені-фізики розробили оптичний ротатум.

Фізики з Гарварду розробили новий оптичний ротатум — світловий вихор, який змінює свою закрученість під час переміщення за логарифмічною спіраллю, подібно до мушлі наутилуса. Це відкриття відкриває нові можливості для маніпуляції світлом та мікрочастинками.

Сучасні досягнення в галузі оптики та фотоніки давно перевершили прості методи фокусування і перенаправлення світла. Дослідники активно вивчають і застосовують концепцію "структурованого світла" — це промені з особливими характеристиками хвильового фронту, поляризацією або інтенсивністю. Яскравим прикладом є оптичні вихори — світлові пучки зі спіралеподібною структурою хвильового фронту, які несуть орбітальний кутовий момент. Ці "закручені" промені нині використовуються в таких сферах, як оптична мікроманіпуляція (оптичні пінцети), надвисокоякісна мікроскопія, квантова інформація та оптичні комунікаційні системи.

Проте прагнення до посилення контролю над властивостями світла не зменшується. Команда дослідників з Гарвардської школи інженерних і прикладних наук імені Джона А. Полсона (SEAS) оголосила про розробку нового, унікального типу оптичного вихору. Цей промінь не просто закручується під час свого поширення, але робить це нерівномірно: його "ступінь закрученості" або просторовий момент коливань змінюється в різних ділянках пучка з різною швидкістю, формуючи складні та неповторні світлові візерунки. Вражаюче, але ця поведінка світла нагадує спіральні структури, які часто зустрічаються в природному середовищі.

Запозичивши термін з класичної механіки, дослідники назвали свій новий світловий вихор "оптичним ротатумом" (optical rotatum). В ньютонівській фізиці "ротатум" (іноді його називають ривок кутового моменту) означає швидкість зміни крутного моменту, що діє на об'єкт, з часом. В оптичному аналозі, створеному гарвардськими вченими, "ротатум" описує, як поступово змінюється просторовий крутний момент світлового пучка під час його поширення.

Оптичний ротатум був розроблений у лабораторії Федеріко Капассо, професора прикладної фізики та старшого дослідника в галузі електротехніки в SEAS. "Це нова форма поведінки світла, де оптичний вихор розповсюджується в просторі та зазнає незвичних змін", — зазначає професор Капассо. "Цей пристрій має потенціал для маніпуляції малими частинками матерії". Результати дослідження опубліковані в журналі Science Advances.

Під час дослідження поведінки створеного пучка, науковці зробили несподіване і вражаюче відкриття. Виявилося, що їхній промінь світла, який має орбітальний кутовий момент, розвивається за математично впізнаваним шаблоном, що часто зустрічається в природі. Як і в послідовності чисел Фібоначчі, яка набула популярності завдяки книзі "Код да Вінчі", їхній оптичний ротатум розгортається у формі логарифмічної спіралі. Подібні спіралі можна спостерігати в таких природних формах, як мушлі наутилуса, розташування насіння в соняшнику, вигини рогів деяких тварин, а також у структурі дерев'яних гілок і навіть галактик. Цей тип спіралі відрізняється тим, що відстань від центру до точок на кривій зростає експоненційно в залежності від кута обертання.

"Цей момент став одним з найнеочікуваніших і найяскравіших у нашому дослідженні", -- ділиться своїми враженнями перший автор статті Ахмед Дорра, який раніше працював науковим співробітником у лабораторії Капассо, а тепер викладає в Технологічному університеті Ейндховена. "Ми сподіваємося, що зможемо заохотити інших фахівців у сфері прикладної математики до глибшого вивчення цих світлових візерунків і відкриття нових уявлень про їх універсальну природу". Зв'язок між основами фізики світла та загальними математичними законами, що описують природні форми, є надзвичайно захоплюючим напрямком для подальших досліджень.

Це дослідження базується на попередніх досягненнях команди, яка використовувала метаповерхні — тонкі плівки або пластини з наноструктурами, здатними впливати на світло на субхвильовому рівні. Завдяки цим метаповерхням вчені вже змогли генерувати світлові пучки з контрольованою поляризацією та орбітальним кутовим моментом під час їхнього поширення, трансформуючи вхідне світло в різноманітні структури, які змінюються в процесі руху. Наразі команда досягла нового рівня контролю над світлом, отримавши можливість варіювати також просторовий крутний момент під час його поширення.

"Ми демонструємо ще більшу універсальність контролю, і ми можемо робити це безперервно", -- зазначає Альфонсо Пальмієрі, аспірант лабораторії Капассо та співавтор дослідження.

Які ж потенційні застосування може мати такий екзотичний промінь світла? Дослідники припускають, що його можна використовувати для контролю над дуже дрібними частинками, наприклад, колоїдами в суспензії. Змінний крутний момент світла може створювати новий тип сили, що діє на частинки, дозволяючи не лише захоплювати їх (як у стандартних оптичних пінцетах), але й обертати їх зі змінною швидкістю або переміщувати вздовж складних траєкторій. Це могло б уможливити створення високоточних оптичних пінцетів для мікроманіпуляцій у біології, медицині чи матеріалознавстві. Також не виключені застосування в оптичному зв'язку, де додатковий ступінь свободи (змінний крутний момент) міг би використовуватися для кодування інформації.

Слід підкреслити, що хоча інші наукові колективи раніше продемонстрували можливість генерувати світло з варіативним крутним моментом, для цього зазвичай були необхідні потужні лазери та складні експериментальні системи. Натомість команда з Гарварду змогла розробити свій "оптичний ротатум" за допомогою досить простого обладнання: одного рідкокристалічного просторового модулятора світла (SLM) та променя з низькою інтенсивністю. Ця демонстрація здатності створювати ротатум за допомогою інтегрованого пристрою, який може бути використаний в промисловості, значно знижує бар'єри для практичного застосування цієї технології в порівнянні з попередніми спробами. Це відкриває нові можливості для створення компактних і доступних пристроїв на основі цього інноваційного підходу до управління світлом.

Відкриття оптичного ротатума є ще одним кроком у захоплюючій галузі структурованого світла, що демонструє дивовижну здатність вчених не лише розуміти фундаментальні властивості світла, але й керувати ними з дедалі більшою точністю та складністю, знаходячи при цьому несподівані паралелі з універсальними законами та формами, що існують у природі.