Физики открывают новое свойство света

Международная группа физиков теоретически предсказала и экспериментально сгенерировала световые лучи с новым свойством, которое они называют собственным моментом света. Открытие, о котором сообщается в журнале Science, может помочь нам понять физику в двойных черных дырах, а также узнать, как управлять динамикой в ​​молекулах и наноструктурах.

Лучи света несут как энергию, так и импульс, которые могут оказывать небольшое, но заметное давление на освещаемые ими объекты.

В 1992 году было понято, что свет может также обладать орбитальным угловым моментом (orbital angular momentum, OAM), когда пространственная форма луча света вращается — или закручивается — вокруг своей собственной оси.

Хотя ОАМ не виден невооруженным глазом, его можно обнаружить, когда луч света взаимодействует с веществом. Пучки OAM обеспечивают новые приложения в оптической связи, микроскопии, квантовой оптике и манипулировании микрочастицами.

Однако до настоящего времени все пучки ОАМ, также известные как вихревые, были статическими; то есть OAM не изменяется во времени.

Чтобы реализовать совершенно новое свойство света, проявляющееся как изменяющийся во времени OAM вдоль светового импульса, физик JILA Кевин Дорни, доктор Университета Саламанки Лаура Рего и их коллеги использовали квантовую физику, присущую процессу генерации высоких гармоник (HHG).

«Чтобы создать генерацию высокой гармоники светом, интенсивный фемтосекундный лазерный импульс повышается до высоких частот возбуждающего лазера путем создания наноразмерной излучающей антенны из атома, который находится в процессе ионизации», — пояснили они.

При правильном согласовании по фазе могут генерироваться яркие когерентные лазероподобные лучи, которые простираются от крайнего ультрафиолетового (EUV) до мягкого рентгеновского диапазона электромагнитного спектра.

Процесс HHG является последовательным, то есть он должен сохранять как энергию, так и импульс во время процесса преобразования с повышением частоты, что является секретом для создания пучков EUV.

Этот прорыв показал, что свет EUV, генерируемый с помощью HHG, действительно может иметь зависящий от времени OAM. И при этом ученые обнаружили момент света, который словно «гаечный ключ» ускоряется, затягивая болт. Однако этот ключ состоит из фотонов и вращается быстрее, чем электрон вращается вокруг ядра водорода.

«Обычно, когда HHG приводится в действие «кольцевым» лазерным лучом, правила сохранения диктуют, что каждая гармоника имеет OAM, равное числу гармоник, умноженному на OAM управляющего лазера», — говорят исследователи. «Однако, если мы запустим процесс HHG с задержкой во времени пары лазерных импульсов, обладающих разным ОАМ, то все становится действительно интересным».

«Пара импульсов с задержкой по времени приводит к излучению света EUV с изменяющимся во времени OAM, который плавно проходит через октаву состояний OAM. Поскольку содержание OAM динамически изменяется вдоль импульса EUV, луч света продолжает ускоряться и, таким образом, обладает собственным крутящим моментом».

Laura Rego et al. 2019. Generation of extreme-ultraviolet beams with time-varying orbital angular momentum. Science 364 (6447): eaaw9486; doi: 10.1126/science.aaw9486