Используя синтетическое магнитное поле, физики создали лазерный торнадо в миниатюрных структурах
Может ли свет вести себя как вихрь? Оказывается, может — и такие "оптические торнадо" были созданы в чрезвычайно малой структуре учеными с физического факультета Варшавского университета, Военно-технического университета и Института Паскаля CNRS при Университете Клермон-Овернь. Это открытие даёт перспективный путь для создания миниатюрных источников света со сложными структурами, потенциально позволяя в будущем разрабатывать более простые и масштабируемые фотонные устройства для таких применений, как оптическая связь и квантовые технологии. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.
Рис. Сеть торонов — самоорганизующихся дефектов в жидких кристаллах, внутренняя структура которых позволяет генерировать лазерный свет, несущий орбитальный угловой момент. Фото: Марцин Мушинский, Физический факультет Варшавского университета.
Для генерации оптических вихрей учёные использовали жидкий кристалл — материал со свойствами, промежуточными между жидкостью и твердым телом. Хотя он может течь как жидкость, его молекулы упорядоченно располагаются, сохраняя фиксированную ориентацию и относительное положение, подобно кристаллу. В такой структуре могут образовываться дефекты, известные как тороны. Их можно представить как плотно закрученные спирали, похожие на ДНК, вдоль которых расположены молекулы жидкого кристалла. Если такую спираль замкнуть, соединив ее концы в кольцо, напоминающее пончик, мы получим торон. Эти структуры действуют как микроскопические ловушки для света. Ключевым шагом было создание эквивалента магнитного поля для фотонов. Хотя свет не реагирует на магнитное поле так, как электроны, аналогичного поведения для света можно добиться другими способами.
Пространственно-переменное двулучепреломление, то есть разница в распространении света с различной поляризацией, действует как синтетическое магнитное поле. Учёные называют его "синтетическим", потому что его математическое описание напоминает поведение магнитного поля, хотя физически его нет. В результате свет начинает "изгибаться", подобно электронам, движущимся по циклотронным орбитам.
Для усиления этого эффекта торон поместили внутрь оптического микрорезонатора — структуры, состоящей из зеркал, в которой свет многократно отражается и остается локализованным в течение длительного времени. Что значительно усиливает поле. Благодаря внешнему электрическому напряжению удалось контролировать размер ловушки (свойства света).
В типичных системах свет, несущий орбитальный угловой момент, появляется в возбужденных состояниях. В данной работе удалось получить этот эффект в основном состоянии, то есть в состоянии с наименьшей энергией. Это важно, потому что основное состояние является наиболее стабильным и в нем легче всего накапливается энергия.
Учёные получили свет, который не только вращается, но и ведет себя как лазерный свет: он когерентен и имеет четко определенную энергию и направление излучения. Для проверки был использован лазерный "краситель".
