21.09.2013 | Наука

Физики закрутили свет в спирали

Впервые свойства закрученного света были описаны ещё двадцать лет назад. У этого открытия большой потенциал: ему найдётся применение и в телекоммуникациях, и в квантовых компьютерах, и в астрономии.

Впервые свойства закрученного света были описаны ещё двадцать лет назад. У этого открытия большой потенциал: ему найдётся применение и в телекоммуникациях, и в квантовых компьютерах, и в астрономии. Всё потому что закрученный свет обладает одним уникальным свойством — орбитальным угловым моментом (ОУМ).

За два десятилетия физики уже успели доказать на практике, как хорош закрученный свет. С помощью спиральных пучков астрономы искали экзопланеты, а специалисты в области телекоммуникаций передавали огромные объёмы информации по оптоволоконным кабелям с очень высокой скоростью.

Как правило, закрученный свет создавался путём бомбардировки голографических дифракционных решёток лазерными лучами. На этот раз исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) придумали новый метод "производства" закрученного света.

Для этого они использовали пучок электронов. Таким же образом физики генерируют импульсы рентгеновского лазерного излучения при помощи тех же электронов. Поясним.

На самых современных установках пучки ускоренных электронов направляются через ондуляторы — идеально настроенные ряды магнитов, которые заставляют электроны колебаться из стороны в сторону таким образом, что они генерируют лазерные лучи.

В случае создания закрученного света учёные одновременно посылают через ондулятор два импульса — один пучок электронов и один лазерный луч. Сочетание лазерного импульса и ондулятора изменяет энергетическое состояние электронов. Когда они проходят через другой массив из магнитов, который называется шиканой (формирует S-образное движение), то выстраиваются на поворотах в изогнутую фигуру, словно гоночные автомобили, и продолжают свой путь по следующему прямому участку уже по траектории штопора.

Такой спиральный пучок электронов затем попадает во второй массив ондуляторов, который заставляет их колебаться и испускать закрученный же свет.

Отметим, что ранее физикам удавалось "закрутить" лишь видимый свет. На этот раз учёные заговорили о возможности изменения траектория движения даже для рентгена.

Эксперимент проводился на тестовом линейном ускорителе NLCTA в Национальной ускорительной лаборатории SLAC. Первый пучок света с ОУМ был оптическим, но Эрик Хемсинг (Erik Hemsing) и его коллеги утверждают, что произвести такой же закрученный свет с куда более короткой длиной волны (например, рентгеновский) будет столь же просто.

"Спиральные лучи света, созданные таким образом, имеют массу преимуществ перед обычными. Лазеры на свободных электронах способны генерировать лучи света с разной длиной волны, а также очень короткие и ультраяркие импульсы. Благодаря этому перед нами открывается возможность создания света с орбитальным угловым моментом на рентгеновской длине волны", — говорит ведущий автор исследования.

Яркие лучи закрученного рентгеновского излучения могут быть полезны в изучении конденсированных сред. Но есть одна проблема: как это было в случае с производством первых рентгеновских лазеров, технология опережает спрос на неё. Многие исследователи, которым бы очень пригодился свет с ОУМ, вероятно, даже не знают, что он уже доступен и как многого с ним можно достичь, пишут учёные в пресс-релизе.

Данное исследование — далеко не первое в области производства пучков света с заданными характеристиками. Оно является продолжением масштабной работы с источниками синхротронного излучения, такими как SSRL на линейном ускорителе SLAC, и лазерами на свободных электронами, такими как LCLS.

На сегодня одной из основных задач физиков, работающих в Национальной ускорительной лаборатории SLAC, является проведения максимального количества громких экспериментов, необходимых для привлечения внимания коллег из других университетов и исследовательских институтов к работе с закрученным светом.

Статья Хемсинга и его коллег вышла в журнале Nature Physics.

По публикациям UkrNet