Луч света заставили колебаться, словно вертолётный винт

Новый метод управления направлением колебаний световых волн позволяет надеяться на создание сенсоров невиданной чувствительности.

Запечатать свет в стеклянный «сосуд» несколько проще, чем джина в бутылку: лазерное излучение может быть «заперто» в оптическое волокно таким образом, что будет путешествовать не вдоль канала, а скорее вращаться по спирали по его окружности — в выпуклом утолщении. Хотя такое «запирание» работает всего десяток наносекунд, свет в утолщения кабеля успевает сделать 30 000 «оборотов».

Теперь исследователи из Венского технического университета (Австрия) выяснили, что при этом между фотонами и единичными атомами оптического волокна возникают интригующие взаимодействия.

Нормальное распространение света подразумевает колебания световой волны перпендикулярно общему направлению распространения (верхний луч). В этот раз учёным удалось осознанно заставить световые волны колебаться вдоль него (в утолщении). (Здесь и ниже иллюстрации TU Vienna.)

Световые волны могут распространяться, колеблясь в одном фиксированном направлении, или «изгибаться» на манер штопора. Для нормального света это колебание (поляризация) всегда поперечное, перпендикулярное направлению движения света. «Вы можете представить себе это как пропеллер самолёта, который всегда вращается в направлении, перпендикулярном движению ЛА, — поясняет Арно Раушенбетель (Arno Rauschenbeutel), возглавлявший исследование. — Однако свет, запертый в нашем бутылкообразном микрорезонаторе, имеет ещё и продольный колебательный компонент, когда последний совпадает с направлением движения света в целом. Это больше похоже на [основной] винт вертолёта [обычной схемы]. В горизонтальном полёте в этом случае кончики «винта» описывают не штопорообразную фигуру, а... так называемый циклоид».

Сейчас в оптоволоконных каналах световые пучки разной поляризации (условно говоря, «пропеллер по часовой стрелке» и «пропеллер против часовой стрелки») в какой-то одной точке усиливают друг друга, а в остальных — подавляют.

А вот если две световые волны колеблются вдоль линии распространения света, то их колебания будут неизбежно отличаться, ибо циклоид сложнее траектории самолётного пропеллера.

О том, что световая волна может колебаться вдоль направления распространения света, уже было известно. Но никто не знал, что этим процессом можно управлять при помощи «запечатывания» света в микрорезонатор в виде утолщения на оптическом канале. Таким образом, впервые этот тип колебаний света можно будет контролировать и использовать.

Траектория таких колебаний напоминает циклоид, а не штопор, как у обычного света (вверху). Свету не удаётся улизнуть из утолщения в волокне, поскольку по обе стороны от него волокно сужается до величин, меньше длины световой волны (внизу).

В этом смысле ближайшей задачей авторы работы видят создание сенсоров. По их словам, чувствительность сенсоров при применении такого света будет очень высока, вплоть до отдельных атомов.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review Letters.

Подготовлено по материалам Венского технического университета.