Ученые обнаружили, что свет способен самостоятельно искривляться, вращаться и менять свое поведение в пустом пространстве без использования зеркал, специальных материалов или линз. Результаты этого исследования опровергают устоявшиеся научные представления и могут найти применение в медицине, передаче данных и квантовых технологиях.
Речь идет о так называемой хиральности — свойстве света действовать как левая или правая рука. Десятилетиями физики были уверены: чтобы свет начал вращаться, закручиваться или проявлять так называемую «хиральность», ему обязательно нужны помощники. Это могли быть специальные зеркала, искусственно созданные материалы с необычными свойствами или очень мощные линзы, которые фокусируют луч с экстремальной точностью.
Новая работа показывает, что свет может приобретать эти свойства естественным образом при правильной подготовке. Ученые поясняют, что в определенных сбалансированных состояниях вращение света, изначально отсутствуя, возникает и нарастает по мере распространения луча, словно проявляясь из скрытой формы.
Исследователи описывают этот процесс так. В самом начале, когда луч только вышел из источника, в нем нет никакого вращения. Он движется прямо и ровно. Но чем дальше он продвигается в пустом пространстве, тем сильнее в нем начинают происходить изменения. Вращение появляется словно из ниоткуда, постепенно нарастает, и внутри луча формируются отдельные зоны, которые вращаются в разные стороны — одни по часовой стрелке, другие против.
Важно подчеркнуть: это происходит в пустом пространстве. Между источником света и точкой наблюдения нет ни зеркал, которые могли бы отразить луч и закрутить его. Ни линз, которые могли бы его искривить. Никаких специальных материалов или поверхностей. Только сам свет и обычный воздух или вакуум.
Причина кроется в скрытой внутренней структуре самого света. Ученые объясняют это с помощью топологии — раздела математики, изучающего то, что остается неизменным при любых деформациях. У света, как выяснилось, есть свой собственный «топологический отпечаток» — нечто вроде невидимого каркаса, заложенного в том, как устроена поляризация луча. Этот отпечаток никуда не исчезает, когда свет движется. Напротив, он плавно направляет эволюцию луча, заставляя его искривляться и вращаться строго определенным образом, предписанным его собственной геометрией.
Простыми словами, вся информация о том, как свет будет изгибаться и крутиться, уже содержится в нем самом с самого начала. Нужно только правильно его «запрограммировать», задав нужную топологию, а дальше он сделает все сам.
Раньше для получения закрученного или хирального света требовались сложные, дорогие и хрупкие установки. Теперь выясняется, что тот же самый эффект можно получить просто за счет правильной начальной настройки и расстояния. Это означает, что будущие устройства могут стать значительно проще и дешевле. Не нужны будут ни прецизионные поверхности, ни экзотические метаматериалы — достаточно понимать, как подготовить луч и на какое расстояние его пустить.
Ученые видят широкие перспективы для своего открытия: от упрощенных медицинских и фармацевтических тестов для различения лево- и правовращающих молекул лекарств до увеличения объема информации в лазерных лучах для повышения пропускной способности каналов связи, включая квантовые сети. Кроме того, эффект может использоваться в компактных оптических датчиках, инструментах для перемещения микрочастиц и клеток, а также для защиты квантовой информации от помех.
По словам авторов работы, их открытие ставит под сомнение давние представления о пределах возможностей света, демонстрируя, что это явление существовало всегда и лишь ожидало своего обнаружения. В перспективе управление внутренней геометрией света может лечь в основу нового поколения более простых и дешевых оптических технологий.
Читайте также: «Физики предложили модель постквантового мира с утратой причинно-следственной связи».