Исследование имеет большое значение для фундаментальной науки. Кроме того, управляемые закрученные световые пучки могут использоваться в сверхточных оптической метрологии, а также для увеличения дальности и надежности связи, основанной на передаче закрученных электромагнитных волн.
Обычно электромагнитное излучение описывается плоскими волнами. Однако в квантовой оптике есть понятие «закрученных» (или вихревых) волн и соответствующих фотонов. Их волновой фронт напоминает не плоскость, а винтовую лестницу или штопор. Такие фотоны называют «закрученными», и они несут информацию не только об энергии и поляризации, но и о проекции момента импульса.
Чтобы создать такой свет, чаще всего используют сложные оптические элементы: фазовые пластинки, метаповерхности или дифракционные решетки. Но у всех этих методов есть существенный недостаток: у них либо слишком низкая яркость, либо они работают в очень узком диапазоне длин волн. Излучение, создаваемое с помощью ондуляторов — устройств, разрабатываемых в физических лабораториях по всему миру, свободно от таких недостатков. Оно обладает высокой яркостью и может генерироваться в очень широком диапазоне частот.
Классический ондулятор, предложенный в середине XX века великим советским физиком Виталием Гинзбургом, — одночастотный. Томские ученые усложнили этот прибор. Вместо одного набора магнитов, создающего одну частоту колебаний электрона, они взяли несколько таких наборов с разными периодами и, следовательно, разными частотами.
«Представьте себе скрипача, который играет не просто ноту «ля», а целый аккорд, да так, что каждая струна звучит со своим неповторимым ритмом и вращением смычка. Примерно это происходит, когда ультрарелятивистский электрон пролетает через особую магнитную структуру — многочастотный ондулятор», – объясняют авторы исследования.
По словам ученых, электрон, пролетая через «симфонию» магнитных полей ондулятора, начинает двигаться по сложной, замысловатой траектории, которая складывается из нескольких простых колебаний. Он не просто дрожит с одной частотой — он «танцует вальс», где каждый шаг подчиняется своей мелодии. И в результате этого танца рождается фотон.
Ключевое открытие ученых из Томска заключается в том, что этот фотон рождается не в каком-то одном чистом состоянии, а в квантовой суперпозиции множества «закрученных» мод. Это как если бы оркестр сыграл не одну ноту, а сложный аккорд, где каждая нота имеет свою громкость (амплитуду) и свою фазу.
Физики не только описали этот процесс, но и вывели строгие математические правила, по которым электрон исполняет этот «танец» и создает аккорды электромагнитных волн. Они показали, что энергия излученного фотона определяется комбинацией частот всех одночастотных ондуляторов, из которых состоит многочастотный ондулятор.
«Когда мы вывели итоговые формулы, я несколько дней ходил под впечатлением. Выяснилось, что вся физика этого процесса завязана на чистую теорию чисел. Коэффициенты Безу, диофантовы уравнения — это обычно удел математиков, а в данном процессе они определяют вполне себе физические наблюдаемые величины», — рассказал один из авторов исследования, инженер-исследователь лаборатории теоретический и математической физики, младший научный сотрудник лаборатории анализа данных физики высоких энергий физического факультета (ФФ) ТГУ Владислав Рякин.
«Гинзбург показал, как электрон «чувствует» структуру магнитного поля в ондуляторе и какое излучение при этом создает. Мы добавили в эту картину «закрученность» и обнаружили, что электрон становится не просто излучателем, а искусным жонглером. Он обменивается с полем виртуальными фотонами и собирает их в один реальный — закрученный и сложно устроенный», — добавил еще один автор работы, профессор кафедры квантовой теории поля ФФ ТГУ Пётр Казинский.
«Многочастотный ондулятор позволяет не просто генерировать яркое электромагнитное излучение, а собирать его из разных «закрученных» мод в одно состояние с заданной амплитудой и фазой для каждой моды. По сути, мы получили способ управления квантовым состоянием фотона. Оказалось, что природа позволяет настраивать момент импульса электромагнитного поля так же легко, как его частоту», — объяснил научный сотрудник лаборатории анализа данных физики высоких энергий ФФ ТГУ Олег Богданов.
Управляемые закрученные световые пучки нужны для сверхточных оптических пинцетов, которые могут вращать микрочастицы, для оптической метрологии, позволяющей измерять расстояния и скорость объектов с невероятной точностью, когерентные суперпозиции закрученных состояний используются для высокоплотной передачи информации в оптическом и радиодиапазонах. В квантовой электродинамике такие состояния света нужны для изучения тончайших интерференционных эффектов. Они позволяют увидеть эффекты, недоступные при облучении обычным светом.
Источник: Минобрнауки РФ