Сибирские физики объяснили рождение закрученных фотонов

Учёные из Томского государственного университета (ТГУ) и Томского политехнического университета создали теорию, объясняющую возникновение «закрученных» фотонов в сложных системах, таких как многочастотный ондулятор. Это открытие имеет большое значение для фундаментальной науки, а также для прикладных областей, таких как оптическая метрология и связь.

В квантовой оптике существуют «закрученные» (вихревые) волны и фотоны, у которых волновой фронт напоминает винтовую лестницу или штопор. Такие фотоны несут информацию не только об энергии и поляризации, но и о моменте импульса. Для создания такого света обычно используют сложные оптические элементы, такие как фазовые пластинки, метаповерхности или дифракционные решётки. Однако эти методы имеют ограничения по яркости и диапазону длин волн. Излучение, генерируемое с помощью ондуляторов, лишено этих недостатков. Оно яркое и может работать в широком диапазоне частот.

Как пишет сайт Минобрнауки, в классическом ондуляторе, предложенном Виталием Гинзбургом в середине XX века, используется один набор магнитов, создающих одну частоту колебаний электрона. Томские учёные усложнили этот прибор, добавив несколько наборов магнитов с разными периодами и частотами.

Авторы исследования сравнивают движение электрона через многочастотный ондулятор с игрой скрипача, который исполняет сложный аккорд, где каждая струна звучит по-своему. Электрон, пролетая через магнитные поля ондулятора, движется по сложной траектории, напоминающей танец. В результате этого танца рождается фотон в квантовой суперпозиции множества «закрученных» мод, что позволяет управлять его квантовым состоянием.

Физики вывели математические правила, описывающие этот процесс. Энергия излучённого фотона зависит от комбинации частот всех одночастотных ондуляторов, входящих в состав многочастотного устройства. Один из авторов исследования, Владислав Рякин, отметил, что физика этого процесса связана с теорией чисел и диофантовыми уравнениями.

Пётр Казинский добавил, что многочастотный ондулятор позволяет генерировать яркое электромагнитное излучение, состоящее из различных «закрученных» мод с заданной амплитудой и фазой. Это открывает новые возможности для управления моментом импульса электромагнитного поля.

Управляемые закрученные световые пучки находят применение в сверхточных оптических пинцетах, оптической метрологии, передаче информации и квантовой электродинамике. Они позволяют исследовать тончайшие интерференционные эффекты, недоступные при использовании обычного света.