Международная группа физиков обнаружила, что свет способен формировать вращающиеся области при распространении в пустом пространстве. Для этого ему не нужны специальные линзы, зеркала или материалы: достаточно заранее задать определённую внутреннюю структуру светового пучка. Исследование провели учёные Университета Восточной Англии в Великобритании совместно с коллегами из Южной Африки.
Открытие связано с хиральностью — различием между левосторонними и правосторонними структурами. Похожий принцип проявляется у человеческих рук и у молекул, две зеркальные формы которых могут по-разному действовать на организм. Обычно для изучения таких различий используют свет с заданным вращением, создаваемый с помощью специальных материалов, поверхностей или мощных линз.
Эксперименты показали, что подготовленный особым образом пучок в начале движения может не иметь спина, то есть вращательного свойства, связанного с поляризацией. Однако по мере распространения в нём возникают и разделяются области с левым и правым вращением. «Он начинается вообще без спина, — пояснил магистрант Лайт Мхумбуза, участвовавший в ключевых экспериментах. — Но по мере продвижения пучка вперёд появляются и разделяются вращающиеся области — почти так, будто спин был скрыт, а затем проявился».
Учёные объяснили эффект топологией — разделом математики, изучающим свойства, сохраняющиеся при непрерывном растяжении или изменении формы. По словам доктора Исаака Напе из Университета Витватерсранда в Йоханнесбурге, кружку и бублик можно превратить друг в друга без разрыва, поскольку у обоих есть одно отверстие; оно и является топологическим признаком. В структурированном свете подобную роль играет схема расположения поляризации, которая сохраняется при изменении формы пучка и влияет на развитие его отдельных участков.
«Это даёт нам совершенно новый способ настройки света. Изменяя его топологию, мы можем определять, где и каким образом появляется хиральность», — сказал Напе. Такой подход способен упростить управление светом без хрупких материалов и точно изготовленных поверхностей. Результаты исследования «Топологический контроль хиральности и спина с помощью структурированного света» опубликованы в журнале Light: Science & Applications, сообщает ScienceDaily.
Авторы связывают открытие с возможными применениями в медицине, фармацевтике и связи. Структурированный свет может повысить чувствительность анализа молекул, помочь в оценке безопасности лекарств и обнаружении биологических маркеров заболеваний, а также использоваться в компактных сенсорах для выявления химических и биологических веществ. В коммуникациях разные схемы вращения способны увеличить объём данных, передаваемых одним световым пучком, а топологические свойства могут оказаться полезными для будущих квантовых сетей и защиты квантовой информации от некоторых помех.