Получен вихревой пучок радиоизлучения

Учёные из Шведского института физики космоса и Университета Падуи (Италия) в несложном лабораторном эксперименте получили вихревой пучок радиоизлучения.

Образование вихрей связано с появлением на волновом фронте (поверхности, во всех точках которой световые колебания имеют одинаковую фазу) особых точек, схожих с винтовыми дислокациями — рассматриваемыми в физике твёрдого тела двумерными дефектами кристаллической решётки. Амплитуда колебаний в самóй особой точке обращается в нуль, а при обходе вокруг неё фаза изменяется на 2π. Дислокация резко изменяет вид волнового фронта, инициируя переход от традиционных «листов» к единой поверхности с характерной винтовой структурой.

Структура волновых фронтов при отсутствии (слева) и наличии винтовой дислокации (иллюстрация из «Соросовского образовательного журнала»).

Первые опыты по созданию оптических вихревых пучков, проекция которых на плоскую поверхность напоминает кольцо, были проведены довольно давно. Сейчас лазерные «вихри» используют, к примеру, в оптических пинцетах для манипулирования микрометровыми объектами. В прошлом году были продемонстрированы электронные аналоги таких пучков.

С радиочастотным вариантом вихревого пучка учёные работали в специальной безэховой камере в лаборатории Упсальского университета. Для экспериментов была выбрана частота 2,4 ГГц, которая попадает в диапазон Wi-Fi, и обычная антенна типа «волновой канал». Необходимые свойства пучок приобретал после отражения от установленного рядом с антенной восьмиступенчатого рефлектора в виде винтовой лестницы, ось которого совпадала с осью пучка.

Оценить результаты помогли две приёмные антенны, расположенные в семи метрах от рефлектора. Одна из них была зафиксирована, а вторую перемещали в плоскости, перпендикулярной оси радиопучка; выполнив измерения, физики получили распределение интенсивности с ожидаемым провалом в центре.

В ближайшее время эти опыты будут проведены в реальных условиях — на бóльших расстояниях и на открытом воздухе. По мнению одного из участников исследования Фабрицио Тамбурини (Fabrizio Tamburini), такую технологию вполне можно использовать в беспроводной связи: она обеспечит дополнительные возможности кодирования информации, а стоимость пользовательских устройств, подготовленных для работы с вихревыми пучками, увеличится незначительно.

Результаты расчётов интенсивности радиопучка (сверху) и данные измерений (иллюстрация авторов работы).