imhotype (imhotype) wrote,
imhotype
imhotype

Category:

Игорь Иванов Закрученный свет и закрученные электроны: обзор последних результатов

За последние пару лет в разных, даже далеких от науки СМИ стали регулярно появляться новости про «закрученный свет». В подавляющем большинстве случаев эти новости воспринимаются скорее как новости технологии, поскольку они касаются лишь одного узкоспециального прикладного вопроса — увеличения информационной емкости световых импульсов или радиоволн за счет закрученности. Между тем, реальная физика закрученного света намного богаче, в ней есть разнообразные задачи как фундаментальной, так и практической физики. Кроме того, СМИ почти не пишут про закрученные электроны, а ведь эта тема сейчас не менее активна, чем закрученный свет. Мы попробуем здесь восполнить этот пробел, перечислив некоторые результаты, полученные за последние два-три года. Подборка эта, конечно, не охватывает все достижения и отражает предпочтения автора, но она должна дать общее представление о том, что сейчас вообще происходит в этой области.

Закрученный свет: введение

На самом простом уровне можно сказать, что закрученный свет — это световой пучок, который не просто летит вперед, но еще и крутится вокруг направления своего движения. Если свободно подвешенное тело будет поглощать такой свет, то оно реально начнет крутиться вокруг оси, совпадающей с направлением луча. Таким образом, этот световой луч передает телу не только энергию и импульс, но и вращательный момент импульса.
Если воспринимать слова «пучок закрученного света» слишком буквально, то сразу может возникнуть первое недопонимание. Ведь в любом вращающемся объекте действуют центробежные силы, и если объект от вращения не разваливается, то значит какие-то силы удерживают его части вместе. Но световой пучок состоит из фотонов. Неужели есть какие-то новые силы, которые удерживают фотоны друг рядом с другом, не дают им разлететься?! Нет, конечно. Такая мысленная картинка опирается на ошибочное представление о фотонах как об очень маленьких «комочках света», которые тесно упакованы внутри пучка. Но не будем забегать вперед; о том, как правильнее визуализировать закрученный свет в терминах отдельных фотонов будет рассказано чуть ниже. А пока вернемся к свету в рамках классической оптики.
Свет — это волна электромагнитного поля. Это поле находится сразу в большом объеме пространства, оно колеблется и, поддерживая себя само, распространяется вперед. Как и у всякой волны, у света есть волновой фронт — так называют воображаемую поверхность в пространстве, в точках которой световое колебание находится в какой-то конкретной фазе (то есть в каком-то конкретном положении после начала колебания). У обычной плоской волны все волновые фронты — плоскости, следующие друг за другом. У сферической волны волновые фронты — концентрические сферы. А у закрученного света волновой фронт геликоидальный (то есть винтовой, спиралеобразный); он словно наматывается винтом на направление распространения волны.
Закрученность света часто иллюстрируют картинкой наподобие рис. 2, слева. Тут всё верно, но, к сожалению, эта картинка часто сбивает с толку читателей, обладающих некоторыми познаниями в физике или технике. Дело в том, что очень похожие картинки используются для иллюстрации циркулярной поляризации света (рис. 2, внизу). В результате читатель, не слышавший раньше про закрученный свет, может подумать: «Опять всё журналисты перепутали, ведь это же обыкновенная циркулярная поляризация!»

Поэтому сразу же подчеркнем: несмотря на визуальную схожесть картинок, закрученность и циркулярная поляризация — это два совершенно разных явления, две независимые степени свободы, которые вы можете «внедрить» в свет. Бывает свет с поляризацией, но без закрученности (это как раз обычный случай), бывают волны с закрученностью, но без поляризации (например, не свет, а акустические закрученные волны), бывают волны с тем и с другим, или же без того и без другого.
Разница тут вот в чем. Картинка с циркулярной поляризацией нарисована для плоской волны. Она показывает ориентацию электрического поля в разных точках вдоль луча. При этом считается, что эта ориентация одна и та же во всей поперечной плоскости. Картинка же с закрученным светом показывает не электрическое поле, а именно волновой фронт. Он не плоский, тут фаза волны меняется не только при движении вдоль луча, но и при смещении в поперечной плоскости (в первом ряду квадратиков на рис. 2 как раз показана цветом фаза в поперечной плоскости). Поскольку поток энергии световой волны обычно направлен перпендикулярно волновому фронту, то получается, что в закрученном свете энергия и импульс волны не просто летят вперед, а как бы крутятся при этом вокруг оси движения — отсюда и момент импульса. А вот вектор электрического поля для закрученного света обычно не рисуют, потому что это дополнительно усложняет картинку, да и набор возможностей тут становится намного богаче, чем для «плоского» света. Кстати, с одним простым примером необычной поляризации неплоского света читатели «Элементов» могли познакомиться в задаче Скорость радиально-поляризованного света.
Отметим, что в зависимости от того, в какую сторону поворачивается геликоид волнового фронта, закрученность бывает положительной и отрицательной — и в этом тоже есть сходство с поляризацией. Но, в отличие от поляризации, величина закрутки может быть, в принципе, сколь угодно большой; не просто +1 и –1, а +2, –5, +12 и т. д. В этом и заключается еще одна привлекательная черта закрученного света: у закрученности гораздо большая «информационная вместимость», чем у поляризации.
Вспомним теперь, что свет — это поток фотонов. С поляризацией тут всё понятно: известно, что каждый фотон несет какую-то поляризацию. А как обстоят дела с закрученностью? Оказывается, аналогично: каждый фотон в закрученном свете имеет ровно такой же спиральный волновой фронт. Вот она, та неправильность той наивной картинки, о которой говорилось в начале: тут каждый фотон занимает весь световой пучок, по крайней мере в поперечной плоскости, и причем простирается он в стороны достаточно далеко. Так что закрученность — это вовсе не коллективный эффект от большого числа фотонов, это индивидуальная характеристика, переносимая и на отдельные фотоны. Можно уменьшить яркость светового луча до такой степени, чтобы фотоны летели по одиночке, и всё равно закрученность при этом теряться не будет
. ПРОДОЛЖЕНИЕ
Tags: Наука и ЖестЪ
Subscribe

  • Операция "Пандемия" - пятая попытка, удачная

    Сразу оговорюсь: я не отрицаю наличие некоторой болезни; в конце концов, я сам ею переболел. Люди чем-то болели и умирали; но не больше, чем…

  • механизмы ГМО

    Прежде чем рассказывать про ГМО (генетически модифицированные организмы), кратко напомню основы биологии. Все многообразие жизни основывается…

  • Китайский демографический крест

    В начале 2020 года, уже 18 января статистики Китая выдали основные демографические показатели по стране. Население Китая к концу 2019 года…

  • Post a new comment

    Error

    Comments allowed for friends only

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

  • 0 comments