Световая змея укусила себя за хвост

Об этом они рассказали в последнем выпуске журнала Science.

Открытию этого топологического кунштюка мы обязаны, как говорят, горничной 75-летнего профессора Лейпцигского университета Августа Фердинанда Мёбиуса, которая два с половиной века назад на его глазах неправильно повязала свой шейный платок, с ходу опровергнув бытовавшее в те времена мнение, что у поверхности обязательно должны быть две стороны.

Сегодня ленту Мёбиуса может соорудить любой школьник, склеив концы перекрученной бумажной полоски. Как ни удивительно, в природе эта лента почти не встречается, хотя есть гипотеза, согласно которой именно так закручены волокна молекул ДНК.

В 2005 году израильский физик Исаак Фройнд предсказал возможность подобным образом закрутить световой пучок, придав его фотонам определенную поляризацию и создав среду, в которой они заворачиваются по круговой траектории, причем так, чтобы при входе в уже пройденный ими путь они были поляризованы точно так же, как и в прошлый раз.

Будучи, согласно квантовой механике, одновременно и пучком фотонов, и набором электромагнитных волн, свет представляет собой электромагнитное поле, и под поляризацией здесь понимается направление электрической компоненты этого поля.

В обычном свете такой поляризации нет: каждый его фотон, грубо говоря, имеет по этому поводу свое собственное мнение.

Правда, отражаясь от некоторых поверхностей, например льда или мокрого асфальта, свет частично получает такую поляризацию, направленную параллельно этой поверхности, – на этом эффекте, в частности, основано действие защитных очков для автомобилистов, подавляющих отраженный свет и тем самым позволяющих видеть ночную дорогу.

В своем эксперименте исследователи использовали свет, который они назвали «структурированным». Иначе говоря, это сфокусированный лазерный луч со строго определенными поляризацией и интенсивностью в каждой точке своего пути. Они получили его, скомпоновав несколько лазерных лучей с разными характеристиками и с помощью целой серии оптических приспособлений, в частности жидкокристаллических линз.

Проходя через них, этот луч изменял свое направление и поляризацию и в результате двигался по кругу, а его поляризацию в каждой точке ученые наблюдали с помощью наночастиц, изучая с помощью интерферометра свет, рассеиваемый на них. В результате им удалось получить световые ленты Мёбиуса, закрученные на полтора и два с половиной оборота.

До сих пор физики были уверены, что подобные ленты Мёбиуса, возможные теоретически, в реальных экспериментах воспроизвести не удастся.

Описанный в Science эксперимент не только опровергает эту уверенность, но и имеет, возможно, далеко идущие практические применения: как утверждают авторы, их методика может быть использована для исследования структур других световых пучков и, что более интересно, для создания оптических устройств и метаматериалов с характеристиками, которые до сих пор считались недостижимыми.