Учёные создали микроскопические структуры света, напоминающие крошечные торнадо, внутри простой системы на основе жидких кристаллов. Такие оптические вихри (спиралевидные потоки фотонов) ранее требовали сложных и громоздких установок, что ограничивало их практическое применение. Теперь же исследователи предложили способ получать их с помощью материалов, которые сами организуются в нужные структуры. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.
![]()
Фото из открытых источников / Иллюстративное изображение / © GigaChat
Новый подход открывает перспективы для развития лазеров, оптических коммуникаций и квантовых технологий.
«Наше решение объединяет несколько областей физики: от квантовой механики и материаловедения до оптики и физики твердого тела», — отметил физик Яцек Щитко из Варшавского университета.
Вдохновившись квантовой физикой, где электроны занимают определённые энергетические уровни, учёные реализовали аналогичную концепцию для света. Вместо захвата электронов они создали ловушки для фотонов, используя жидкие кристаллы — вещества, сочетающие свойства жидкостей и твёрдых тел. Внутри этих материалов были сформированы особые дефекты, называемые торонами.
«Тороны можно представить как плотно скрученные спирали, похожие на ДНК, вдоль которых расположены молекулы жидких кристаллов. Если замкнуть такую спираль, соединив её концы в кольцо, напоминающее бублик, получится торон», — пояснила Мендшицка.
Однако для закручивания света одной ловушки оказалось недостаточно. Обычно свет не реагирует на магнитные поля так, как заряженные частицы. Поэтому исследователи смоделировали искусственный магнитный эффект с помощью двойного лучепреломления, при котором свет с разной поляризацией по-разному проходит через материал. Изменяя этот эффект в пространстве, они заставили свет изгибаться и двигаться по спирали, подобно электронам в магнитном поле.
«Мы называем его «синтетическим», потому что его математическое описание напоминает поведение магнитного поля, хотя физически его не существует. В результате свет начинает «изгибаться», подобно электронам, движущимся по циклотронным орбитам», — рассказал профессор физики Пётр Капущинский из Варшавского университета.
Для усиления эффекта систему поместили в оптический микрорезонатор — структуру из зеркал, отражающих свет многократно. Это позволило стабилизировать и усилить закрученный свет. Учёные даже смогли управлять размером ловушки и свойствами света с помощью внешнего напряжения.
Главным достижением стало получение закрученного света в основном состоянии — с наименьшей энергией.
«Впервые нам удалось добиться этого эффекта в основном состоянии. Это важно, потому что основное состояние является наиболее стабильным и в нём легче всего накапливать энергию», — подчеркнул Гийом Мальпюэш из Университета Клермон-Овернь во Франции.
Чтобы подтвердить возможность генерации лазерного излучения, в систему добавили лазерный краситель. В результате получился свет, который не только вращается, но и обладает свойствами лазерного луча: он когерентен, имеет чётко определённую энергию и направление излучения, отметил первый автор исследования Марцин Мушинский.
Работа показала, что сложные световые структуры можно создавать проще и более масштабируемыми, используя самоорганизующиеся материалы. Это может привести к появлению компактных лазеров с новыми возможностями, более совершенных систем связи и инструментов для квантовых вычислений. Также структурированный свет способен точно манипулировать микроскопическими объектами.
Пока исследования находятся на ранней стадии. В дальнейшем предстоит проверить стабильность и эффективность систем, а также их интеграцию в реальные устройства.
