Может ли свет закручиваться, как вихрь? Ученые из Варшавского университета, Военного технологического университета и Института Паскаля CNRS ответили решительным «да», создав вращающиеся «оптические торнадо» внутри чрезвычайно малой структуры. Это достижение указывает на новый способ создания миниатюрных источников света со сложными формами, что может поддержать более простые и масштабируемые фотонные устройства для оптической связи и квантовых технологий.

«Наше решение объединяет несколько областей физики: от квантовой механики через материаловедение до оптики и физики твердого тела», — объясняет профессор Яцек Щитко из Варшавского университета, руководитель исследовательской группы. «Вдохновение пришло из систем, известных в атомной физике, где электроны могут занимать разные энергетические состояния. В фотонике аналогичную роль играют оптические ловушки, которые удерживают свет вместо электронов». Доктор Марцин Мушиньский, первый автор исследования из Варшавского университета и Городского колледжа Нью-Йорка, добавляет: «Можно представить это как оптический вихрь. Световая волна закручивается вокруг своей оси, и ее фаза меняется по спирали. Более того, даже поляризация — направление колебаний электрического поля — начинает вращаться».

Эти структурированные состояния света привлекательны для таких приложений, как квантовая связь и управление микроскопическими объектами, но их создание обычно требовало сложных наноструктур или больших экспериментальных систем. Команда выбрала другую стратегию, используя жидкий кристалл — материал, который течет как жидкость, но молекулы которого упорядочены, как в кристалле. Внутри этого материала могут образовываться особые дефекты, известные как тороны. «Их можно представить как туго закрученные спирали, похожие на ДНК», — объясняет Джоанна Менджицка, студентка-нанотехнолог из Варшавского университета, которая вместе с доктором Евой Отон из Военного технологического университета подготовила образцы жидких кристаллов. «Если такую спираль замкнуть, соединив ее концы в кольцо, напоминающее пончик, мы получим торон».

Чтобы усилить эффект, торон поместили внутрь оптического микрорезонатора — структуры из зеркал, которая многократно отражает свет и удерживает его. «Это делает поле намного сильнее», — говорит доктор Мушиньский. «Кроме того, мы можем контролировать размер ловушки, а значит, и свойства света, с помощью внешнего электрического напряжения». Команда также добилась нового: стабильных световых вихрей в основном состоянии, состоянии с наименьшей энергией. «Впервые нам удалось получить этот эффект в основном состоянии», — объясняет профессор Гийом Мальпюш из Университета Клермон-Овернь и CNRS, который разработал теоретическую модель вместе с профессором Дмитрием Солнышковым и постдоком Даниилом Бобылевым. «Это важно, потому что основное состояние наиболее стабильно и в нем легче всего накапливается энергия». Чтобы подтвердить лазерную генерацию, исследователи ввели лазерный краситель, получив свет, который вращается, является когерентным и имеет хорошо определенные энергию и направление излучения.

Профессор Дмитрий Солнышков отмечает: «Интересно, что наш подход черпает вдохновение из очень продвинутых теорий, включающих так называемый векторный заряд. Так что в некотором смысле нам удалось заставить фотоны вести себя не как электроны, а как кварки». Профессор Виктор Печек из Военного технологического университета заключает: «Это открытие открывает новый путь для создания миниатюрных источников света со сложными структурами. Вместо того чтобы полагаться на сложные нанотехнологии, мы можем использовать самоорганизующиеся материалы. В будущем это может позволить создавать более простые и масштабируемые фотонные устройства, например для оптической связи или квантовых технологий».