Физики открыли новую форму света

Физики из Ирландии и Великобритании обнаружили новую форму света. Его особенностью является необычный угловой момент фотона, кратный половине величины постоянной Планка. Исследование опубликовано в журнале Science Advances, кратко о нем сообщается на сайте Тринити-колледжа (город Дублин, Ирландия).

Свет в классической физике описывается одновременно и как частица, и как волна. Согласно квантовой механике, в этом заключается не противоречие, а природа света. Наиболее последовательное описание волновых свойств света достигается при помощи уравнения Шредингера, а корпускулярных (с позиций фотона) – при помощи квантового аналога уравнения Гамильтона. При таком подходе фотон (квант света) характеризуется полным угловым моментом импульса, который складывается из углового орбитального момента (связанного с вращением объекта) и спина (существенно квантовой характеристикой).

В своей работе ученые рассмотрели распространение света не в трехмерном пространстве, а в двухмерном (свет как бы закручивался на цилиндр, поверхность которого двухмерна). Если для трехмерного пространства целочисленный полный момент фотона (кратность постоянной Планка) следует из вращательной симметрии уравнений Максвелла, описывающих распространение электромагнитных волн в пространстве, то в двухмерном пространстве вращение может быть неполным (то есть не быть вращательной симметрии).

Единственными симметриями, которые определяют форму оператора углового момента в этом случае, являются повороты двумерного сечения пучка вокруг направления его распространения. Если записать выражение для полного момента импульса в двумерном пространстве, то окажется, что последний, кроме целочисленной, также будет содержать полуцелую часть.

Схема эксперимента, позволяющего получить необычный общий угловой момент фотона, выглядит следующим образом. Сперва подготавливается пучок, в котором свет должен иметь винтовую форму. Так называется электромагнитная волна, у которой волновой фронт (поверхность, до которой дошли колебания), имеет закрученную или, иначе, спиралевидную форму. Это отвечает полному угловому моменту какого-либо из фотонов, равному наложению базовых квантовых состояний +h/2 и -h/2 .

Закрученный свет получается пропусканием пучка света от гелий-неонового лазера через линейный поляризатор LP, четырехволновую пластинку QWP и двухосный кристалл BC. Впервые такую установку предложили Уильям Гамильтон и физик Хэмфри Ллойд. 

СХЕМА

Затем свет направлялся на светоделитель BS1, откуда пучки поступали на пару призм Дове DP1 и DP2, расположенных под углом 90 градусов друг к другу и позволяющих не меняя направление проходящего через них света дать зеркальное отображение кольца (повернуть на 180 градусов). На пути первого пучка стояла пара полуволновых пластин HPW1 и HPW1, расположенных под углом 45 градусов друг к другу и позволяющих вращать плоскость поляризации света на 90 градусов, а также элемент, обеспечивающий конструктивную (с усилением волн) и деструктивную (с ослаблением волн) интерференции. Все пучки поступают в светоделитель BS2, а затем - в фотодиод, по силе тока на котором можно оценить среднее значение полного углового момента единичной частицы.

Ученые впервые экспериментально наблюдали полуцелый момент фотона. Физически он напоминает дробный квантовый эффект Холла, который проявляется в низкоразмерных системах и находит применение при исследовании графена - двумерной модификации углерода. Считается, что устройства на его основе в будущем смогут заменить полупроводниковые транзисторные схемы. Закрученный свет же может найти вероятное применение в нанофотонике и криптографии, где он возникает в связи с вопросами квантовой нелокальности.