Оптический вихрь — это свет, закрученный по спирали вокруг своей оси распространения. В проекции на плоскую поверхность он выглядит как кольцо с темным пятном посередине. Вихрь имеет так называемый топологический заряд, который можно представить как число, обозначающее, с какой скоростью он вращается и в каком направлении.

В недавнем исследовании сообщается, как его авторам удалось индуцировать четыре таких вихря в виде кластера и обнаружить, что их заряды регулярно менялись, переключаясь с периодом в одну пятую наносекунды. Хотя оптические вихревые кластеры или решетки наблюдались и раньше, о таких быстрых осцилляциях заряда сообщается впервые.

Чем интересны оптические вихри

Оптические вихри как таковые предлагают интригующую возможность преодолеть ограничение пропускной способности волоконно-оптических линий связи. В оптическое волокно можно упаковать ограниченное количество каналов передачи , а это означает, что существует ограничение на пропускную способность. Однако два вихря даже при одинаковой длине волны света можно различить по их заряду, поэтому они в некотором роде занимают разные каналы. Такое «умножение» каналов известно как мультиплексирование.

Еще одно интересное применение — оптический пинцет. Это специально подготовленные лазерные лучи для удерживания или манипулирования микроскопическими объектами, такими как атомы, наночастицы или даже биологические клетки. Эта технология пинцета, используемая с 1980-х годов, может быть улучшена с помощью оптических вихрей, что позволит захватить объект в кольцо света и вращать его благодаря вращающейся природе вихря.

Как создать оптический вихревой кластер с периодическим переворотом заряда

Эксперименты проводились в Лаборатории гибридной фотоники Сколтеха под руководством профессора Павлоса Лагудакиса, вице-президента института по фотонике. Вихри в исследовании были созданы в системе, известной как экситон-поляритоны с микрорезонаторами.

В экспериментах исследователи использовали полупроводниковую микрорезонаторную структуру — два хорошо отражающих близко расположенных зеркала с квантовыми ямами между ними. Это обеспечивает локализацию света и сильное взаимодействие с полупроводниковой средой, что приводит к возникновению квазичастиц, называемых поляритонами, — связанных состояний электронов и дырок в материале и фотонов в падающем лазерном луче.

«Загвоздка заключалась в том, что мы должны были убедиться, что заряд каждого вихря с самого начала был случайным и мог свободно развиваться в соответствии с законами квантовой динамики конденсата, мы не могли просто лазером впечатать в нашу систему вихревую решетку, потому что это создало бы вихри с известными зарядами и убрало бы всякую спонтанность», — первый автор статьи, кандидат технических наук Сколтеха. студент Кирилл Ситник, прокомментировал.

«Мы возбуждали поляритоны кольцеобразным лазерным лучом. При критической мощности возбуждения часть поляритонов локализовалась внутри оптически индуцированной эффективной ловушки, занимая суперпозицию макроскопических квантованных состояний с самоорганизованными вихрями, колеблющимися периодическим образом», сказал руководитель исследования Павлос Лагудакис.