«Апостериори»: Физики создали световые вихри

Новости науки и технологий

Поддержите «Эхо», если вы не в России

Физикам удалось создать лазер, в котором основное состояние света оказывается вихревым. Это необычно, потому что такие световые вихри обычно относятся к возбуждённым состояниям. Работа опубликована в журнале Science Advances.

Речь идёт о пучках света с орбитальным угловым моментом. Если обычный лазерный луч можно грубо представить как волну, распространяющуюся вперёд, то у вихревого пучка волновой фронт закручен, как спираль. В центре такого пучка возникает фазовая сингулярность – область, где интенсивность света падает до нуля. Такие пучки иногда называют оптическими вихрями. Они интересны как для фундаментальной физики, так и для практического приложения – например, в оптических пинцетах, квантовых технологиях и сверхбыстрой передаче данных.

Обычно, чтобы получить такой световой вихрь, нужно специально «закрутить» лазерный пучок – например, пропустить его через оптический элемент, который задаёт нужное распределение фазы. Но это не всегда удобно: такие системы трудно сделать компактными, масштабируемыми и перестраиваемыми. Поэтому одна из задач современной фотоники – создавать источники вихревого света прямо «на чипе», внутри миниатюрных оптических структур.

В новой работе исследователи использовали микрорезонатор, заполненный жидким кристаллом. Микрорезонатор можно представить как тонкую оптическую полость между двумя зеркалами, где свет многократно отражается и образует собственные устойчивые состояния. Жидкий кристалл внутри этой полости не просто заполняет пространство: его молекулы могут выстраиваться в сложные топологические структуры.

В центре работы – топологические дефекты в хиральном жидком кристалле: локальные области, где ориентация молекул закручена особым образом. В статье такие дефекты возникают внутри микрорезонатора и работают как крошечные фотонные ловушки. Они удерживают свет и формируют набор локализованных оптических состояний.

Главное неожиданное наблюдение состоит в том, что самое нижнее, основное состояние такой ловушки оказалось не обычной модой с максимумом в центре, а вихревым состоянием – с провалом интенсивности в центре и ненулевым орбитальным угловым моментом. Иными словами, система как будто сама выбирает в качестве наиболее устойчивого состояния не простой световой пучок, а закрученный.

Чтобы проверить, действительно ли речь идёт о световом вихре, авторы провели интерференционные измерения. Для световых вихрей характерны так называемые fork-like interference patterns – интерференционные картины с «развилкой». Именно такие картины исследователи увидели для двух круговых поляризаций, причём для противоположных поляризаций они были зеркальными. Это означает, что в двух компонентах поляризации свет несёт орбитальный угловой момент противоположных знаков.

Авторы объясняют это тем, что закрученная структура жидкого кристалла создаёт для света эффективное неабелево калибровочное поле. Это поле меняет порядок оптических уровней: состояние, которое обычно было бы возбуждённым, опускается вниз и становится основным.

Важная часть работы – управляемость этой системы. Размер дефектов в жидком кристалле можно менять электрическим полем. При изменении напряжения меняется их диаметр, а вместе с ним – спектр локализованных оптических состояний. Для маленьких дефектов порядок уровней остаётся обычным: основное состояние не несёт орбитального углового момента. Но при увеличении размера происходит топологический переход – уровни меняются местами, и вихревое состояние становится основным.

Новая работа демонстрирует новый физический механизм: топологическая структура жидкого кристалла может не просто модифицировать свет, а перестраивать саму иерархию его состояний. Именно такие механизмы важны для будущей интегральной фотоники – компактных устройств, где нужные свойства света возникают не за счёт громоздкой внешней оптики, а прямо внутри микроструктуры.

В перспективе такие системы могут использоваться для создания перестраиваемых источников вихревого света, для исследований топологической фотоники и для моделирования неабелевых калибровочных полей в оптических системах. А в более широком смысле эта работа показывает, что жидкие кристаллы – материал, знакомый нам прежде всего по дисплеям, – могут быть не только технологической средой, но и лабораторией для довольно тонкой физики света.