Закрученість світла може змінюватися порціями вдвічі меншими, ніж вважали раніше.
Світло крім поширення в певному напрямку здатне ще й обертатися навколо нього, що характеризується параметром, названим повним кутовим моментом. Як і інші квантові характеристики, кутовий момент дискретний і приймає тільки певні допустимі значення. Досі вважалося, що його величина відповідно до квантової теорії повинна бути кратна постійною Планка h - фундаментальної фізичної константи, яка визначає масштаб квантових ефектів. Нагадаємо, що, наприклад, енергія фотону дорівнює виробу цієї константи на частоту. Відповідно, і мінімально можлива зміна кутового моменту пропорційно h.
Фізики з Трініті коледжу (Дублін, Ірландія) експериментально виявили, що при почесному поширенні світла в спеціально сконструйованій установці його повний кутовий момент може бути кратний h/2, тобто в два рази меншій величині. Це відкриття важливо як для розуміння природи і поведінки світла, так і для його практичного використання. Адже кратність кутового моменту величині h робить поведінку фотонів аналогічною поведінці частинок з цілим спином (бозонів), а пропорційність h/2 повідомляє фотонам «ферміонні» властивості (нагадаємо, що ферміони володіють напівцілим спином). Результати дослідження опубліковані в інтернет-журналі Science Advances.
Для розуміння суті явища можна привести аналогію з тілом, що обертається навколо своєї осі. Попередні погляди відповідали тому, що швидкість обертання тіла могла змінюватися порціями з величиною, пропорційною h, а ірландські фізики виявили, що крок зміни може бути в два рази менше.
Те, що названо «обертанням світла» навколо напрямку поширення, процес більш складний, ніж обертання тіла навколо осі. Тут ви можете вибрати дві складові. Перша - поворот вектора електричного поля світлової хвилі в міру її поширення в просторі, званий круговою поляризацією світла і визначальний спин фотона. Друга - закручування фронту світлової хвилі, що характеризується орбітальним кутовим моментом. Повний кутовий момент фотона являє собою суму спинового та орбітального вкладів. У звичайному тривимірному випадку всі ці величини будуть пропорційні h, або, іншими словами, відповідні квантові числа будуть цілими. Якщо ж створити почесну систему для поширення світла, то квантове число для кутового моменту може стати напівцілим, що дослідники і спостерігали в даному експерименті. Зазначимо, що теоретики передбачали аналогічний ефект для частинок, які можуть вільно рухатися тільки в двох з трьох вимірювань простору, ще з 1980-х років.
Якщо поляризація світла відома вже дуже давно, то закручене світло було вперше отримано лише в 1995 році. З цього часу і ведуться його активні дослідження. Крім суто наукового інтересу закручене світло має великі перспективи практичного використання. Велика кількість рівнів орбітального моменту дозволяє використовувати їх для ефективного кодування інформації в системах зв'язку, а в перспективі і в квантових комп'ютерах. Ефекти закрученості світла використовуються в «оптичних пінцетах», що дозволяють променем лазера утримувати нанооб'єкти і маніпулювати ними. Також їх можна використовувати для ідентифікації об'єктів та виявлення їх обертання. Останнє, наприклад, знайшло застосування в астрономії. Дослідники сподіваються, що їхня робота відкриє нові перспективи.
За матеріалами Трініті коледжу