Международная группа исследователей под руководством специалистов Университета Восточной Англии (UEA) в Великобритании совместно с учёными из ЮАР обнаружила необычное свойство света формировать вращающиеся структуры при движении в пустом пространстве. Для этого не требуются специальные линзы, зеркала или материалы. Как сообщает ScienceDaily, результаты работы показывают, что свет обладает скрытой геометрической структурой, способной влиять на его поведение.
Открытие затрагивает понятие хиральности — различия между левосторонними и правосторонними структурами. Человеческие руки служат наглядным примером: они являются зеркальным отражением друг друга, но левую ладонь невозможно точно наложить на правую. Многие молекулы, включая компоненты лекарств, обладают схожим свойством: две версии одного и того же соединения могут иметь почти идентичную химическую структуру, но по-разному действовать на организм. Учёные различают такие формы, изучая их взаимодействие со светом, обладающим определённым характером вращения.
Ранее для создания и управления подобным светом обычно применялись специальные материалы, тщательно спроектированные поверхности или мощные линзы, фокусирующие пучок с высокой точностью. Новое исследование демонстрирует, что должным образом подготовленный свет приобретает такое поведение естественным образом по мере распространения, без дополнительных оптических компонентов. «Наша работа показывает, что свет может самостоятельно развивать это свойство handed (лево- или правостороннее)», — приводит ScienceDaily слова доктора Кейна Форбса из Школы химии, фармации и фармакологии UEA.
Свет может обладать разными типами вращательного поведения. Оптический вихрь имеет волновой узор, закручивающийся вокруг направления движения наподобие штопора, и каждый виток способен нести информацию. Поляризация описывает колебания электрического поля света, а определённые её виды создают вращение, называемое спином. Физики давно изучали связь этих свойств, однако эффекты, лежащие в основе нового наблюдения, считались крайне слабыми и трудноуловимыми без особых условий. Исследователи выяснили, что картина меняется, когда пучок света подготовлен в особой сбалансированной конфигурации: изначально он может не иметь спина, но при движении в свободном пространстве в нём возникают и разделяются области с вращением.
Для объяснения неожиданного поведения учёные обратились к топологии — разделу математики, изучающему свойства, сохраняющиеся при непрерывном растяжении, изгибе или изменении формы объектов. Доктор Айзек Напе из Университета Витватерсранда в Йоханнесбурге (ЮАР) пояснил: «Представьте кружку и пончик. Одно можно превратить в другое без разрывов, потому что у обоих есть одно отверстие. Это отверстие — топологическая особенность». Выяснилось, что структурированный свет обладает собственными топологическими характеристиками, закодированными в расположении его поляризации. Этот глубинный узор действует как математический отпечаток: даже когда форма пучка меняется при движении, его топологическая структура сохраняется и определяет, где проявятся левосторонние и правосторонние вращающиеся области. «Это даёт нам совершенно новую ручку настройки для света. Регулируя его топологию, мы можем решать, как и где появляется хиральность», — сказал доктор Напе.
Управление светом через его геометрию способно в перспективе упростить и удешевить ряд оптических технологий. Одно из многообещающих направлений — медицинская диагностика и фармацевтические исследования: поскольку многие биологически важные молекулы существуют в лево- и правосторонних формах, структурированный свет поможет точнее их различать, что ценно для оценки безопасности лекарств и выявления биомаркеров заболеваний. Принцип может лечь в основу компактных оптических сенсоров для определения химических и биологических веществ без громоздкого лабораторного оборудования. В сфере связи кодирование информации в разных типах закручивания и вращения позволит увеличить объём данных, передаваемых одним лазерным лучом, что важно для быстрых оптических систем, защиты информации и будущих квантовых сетей. Другие возможные применения — манипулирование микрочастицами, клетками и молекулами с помощью света, а также создание более устойчивых квантовых систем. «Последствия широки, — отметил доктор Форбс. — Эта работа может привести к более простым и чувствительным медицинским тестам, особенно в разработке лекарств. Она также позволит упаковать больше информации в лазерные лучи, повышая ёмкость связи, включая будущие квантовые сети. А поскольку эффект не зависит от хрупких материалов или прецизионно изготовленных поверхностей, его будет проще и дешевле применять в реальных технологиях».
Исследование «Topological Control of Chirality and Spin with Structured Light» опубликовано в журнале Light: Science & Applications. Как отмечает ScienceDaily, десятилетиями учёные полагались на всё более сложное оптическое оборудование для создания необычных форм света, но новые данные говорят о том, что некоторые из этих эффектов могут возникать из тщательно спроектированных структур, уже заложенных в самом пучке. «Для чего-то столь знакомого свет оказывается гораздо богаче, страннее и мощнее, чем кто-либо представлял, — сказал доктор Форбс. — И, что поразительно, это новое поведение существовало всё время — просто ждало, чтобы его увидели».