Puścili światło przez pustą przestrzeń. Zrobiło się dziwnie

Światło nie potrzebuje specjalnych materiałów ani dodatkowych soczewek, żeby podczas swojej podróży zacząć wykazywać niezwykłe właściwości. Fizycy odkryli, że odpowiednio przygotowana wiązka może samodzielnie wytworzyć obszary o przeciwnych kierunkach spinu. Wystarczy sposób, w jaki została ukształtowana na początku.

Odkrycie jest tak naprawdę szalenie interesujące, ponieważ dotyczy zjawiska, którego uzyskanie zwykle kojarzono ze znacznie bardziej wymagającymi warunkami. Naukowcy z University of East Anglia w Wielkiej Brytanii oraz University of the Witwatersrand w Republice Południowej Afryki pokazali, że o zachowaniu światła może decydować jego własna geometria. To z kolei otwiera nowe możliwości sterowania wiązkami laserowymi.

Podczas eksperymentu badacze wykorzystali specjalnie ukształtowaną wiązkę laserową. Na początku jej pole elektromagnetyczne miało taki rozkład polaryzacji, że nie wykazywało lokalnego spinu wzdłuż kierunku rozchodzenia się światła. Sytuacja zmieniała się jednak wraz z przebytą odległością.

W wiązce zaczęły pojawiać się jednak obszary odpowiadające przeciwnym kierunkom spinu. Jedne miały charakter prawoskrętny, inne lewoskrętny. Co ważne, nie trzeba było umieszczać na jej drodze dodatkowych elementów optycznych, które wymuszałyby taką zmianę. Efekt wynikał z wcześniejszego przygotowania samego światła.

Czym tak właściwie jest spin światła? Nie oznacza on, że fotony zaczynają fizycznie obracać się jak niewielkie kulki. Chodzi o wielkość związaną z momentem pędu światła, którą w przypadku wiązki można powiązać ze sposobem zmiany kierunku jej pola elektrycznego. Dobrym przykładem jest polaryzacja kołowa. W takim świetle wektor pola elektrycznego obraca się podczas rozchodzenia fali, a obrót może następować w dwóch przeciwnych kierunkach. Właśnie z tym związane są prawoskrętne i lewoskrętne stany polaryzacji, które naukowcy potrafią mierzyć i wykorzystywać.

W nowym eksperymencie udało się doprowadzić do ich przestrzennego rozdzielenia. Oznacza to, że choć początkowo odpowiednio przygotowana wiązka nie wykazywała lokalnego spinu, podczas propagacji powstawały w niej wyraźne obszary o różnych właściwościach. Nie pojawił się jednak żaden dodatkowy moment pędu znikąd. Zmieniło się jego rozmieszczenie wewnątrz światła.

Zwykłą wiązkę laserową najczęściej wyobrażamy sobie jako wąski strumień światła rozchodzący się w określonym kierunku. W rzeczywistości można kształtować ją jednak na znacznie więcej sposobów, zmieniając nie tylko intensywność, lecz także rozkład fazy i polaryzacji. Faza opisuje, w którym momencie swojego cyklu drgań znajduje się fala.

Tak powstaje światło strukturyzowane. Jego szczególnym przypadkiem są wiry optyczne, w których powierzchnie jednakowej fazy układają się w spiralę. Takie wiązki niosą orbitalny moment pędu, związany z przestrzennym kształtem fali, a nie bezpośrednio z jej polaryzacją.

O możliwościach wykorzystania podobnych struktur pisaliśmy już przy okazji eksperymentu japońskich naukowców, którzy stworzyli układ 3070 wirów optycznych. Tam najważniejsza była możliwość uzyskania ogromnej liczby uporządkowanych wirów przy dużej mocy lasera. Nowe badanie dotyczy wzajemnego oddziaływania właściwości odpowiadających za dwa rodzaje momentu pędu światła.

Zespół kierowany przez badaczy z Wielkiej Brytanii i RPA skupił się na topologii wiązki. To matematyczny opis cech jej struktury, które nie znikają przy pewnych ciągłych zmianach kształtu. Odpowiednie przygotowanie światła pozwala zapisać w nim określony wzór, który później wpływa na zachowanie jego składowych podczas rozchodzenia się.

W opublikowanym badaniu wykazano, że zmiana tzw. ładunku topologicznego Pancharatnama pozwala kontrolować pojawianie się obszarów o różnym spinie. Parametr ten opisuje szczególną właściwość geometryczną pola świetlnego. Badacze mogli go zmieniać, nie modyfikując początkowego rozkładu polaryzacji.

Zaobserwowany efekt wiąże się ze sprzężeniem spinowo-orbitalnym światła. Oznacza to zależność pomiędzy momentem pędu wynikającym z polaryzacji a momentem pędu związanym z przestrzenną strukturą fali. W odpowiednich warunkach zmiana jednej z tych właściwości wpływa na drugą.

Dotychczas uzyskiwanie silnych efektów tego rodzaju często wymagało bardzo mocnego skupienia wiązki albo jej oddziaływania ze specjalnie przygotowanym materiałem. Tymczasem w nowym eksperymencie zjawisko występowało podczas swobodnego rozchodzenia się światła, również w zakresie niewielkich kątów rozbieżności wiązki.

Przygotowany laser zawierał składowe odpowiadające dwom przeciwnym kierunkom polaryzacji kołowej. Podczas propagacji ich rozkłady zaczynały różnić się od siebie. Jedna składowa zajmowała inne obszary przekroju wiązki niż druga, przez co powstawał mierzalny rozkład lokalnej skrętności.

Badacze określają to jako odmianę optycznego efektu Halla. W tym przypadku nie chodzi jednak o elektrony przemieszczające się w przewodniku pod wpływem pola magnetycznego. Rozdzieleniu ulegają składowe światła o przeciwnych stanach polaryzacji, a mechanizm wynika z ich odmiennej ewolucji przestrzennej i fazowej.

Co istotne, światło musiało zostać wcześniej odpowiednio przygotowane. Naukowcy wykorzystali do tego układ optyczny obejmujący m.in. przestrzenny modulator światła i specjalną płytkę zmieniającą zależność między polaryzacją a strukturą wiązki. Odkrycie nie polega więc na tym, że dowolny laser zaczyna samoczynnie wirować. Najważniejsze jest to, że po nadaniu mu odpowiedniej struktury efekt może rozwinąć się bez kolejnych elementów optycznych na drodze wiązki.

Wyniki eksperymentu sugerują, że część zjawisk wymagających dotychczas bardziej skomplikowanej aparatury można uzyskać przez odpowiednie zaprojektowanie początkowego stanu światła. Zamiast wielokrotnie zmieniać jego właściwości podczas podróży, wystarczy przygotować wiązkę tak, żeby przewidywalnie ewoluowała.

Takie podejście może mieć kolosalne znaczenie przede wszystkim dla komunikacji optycznej. Współczesne systemy przesyłania informacji wykorzystują przede wszystkim zmiany intensywności, fazy lub innych właściwości światła. Dodatkowe możliwości kontroli jego przestrzennej struktury i polaryzacji mogłyby w przyszłości pozwolić na kodowanie większej ilości danych.

Przeczytaj także:

Nie jest to jednak całkowicie nowy kierunek rozwoju elektroniki i telekomunikacji. Opisywaliśmy już wcześniej układ fotoniczny, który wykorzystuje chiralność światła do kierowania sygnałów w określone strony. Nowe odkrycie wskazuje jednak inną drogę do uzyskiwania i kontrolowania podobnych właściwości, bez konieczności ciągłego oddziaływania wiązki ze specjalnym materiałem.

Istotne są też zastosowania w chemii. Wiele cząsteczek występuje w odmianach, które mają identyczny skład chemiczny, ale są swoimi lustrzanymi odbiciami. To zjawisko nazywa się chiralnością. Podobnie jak prawej dłoni nie da się idealnie nałożyć na lewą, tak dwie odmiany tej samej cząsteczki mogą różnić się przestrzennym ułożeniem atomów.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI