Ученые из ФФ ТГУ совместно с коллегами из Томского политехнического университета разработали теорию, которая описывает рождение «закрученных» фотонов в таких сложных системах, как многочастотный ондулятор. Исследование имеет большое значение для фундаментальной науки. Кроме того, управляемые закрученные световые пучки могут использоваться в сверхточных оптической метрологии, а также для увеличения дальности и надежности связи, основанной на передаче закрученных электромагнитных волн.
Исследование имеет большое значение для фундаментальной науки, поскольку в квантовой электродинамике такие состояния света нужны для изучения тончайших интерференционных эффектов. Кроме того, управляемые закрученные световые пучки могут использоваться в сверхточных оптической метрологии, а также для увеличения дальности и надёжности связи, основанной на передаче закрученных электромагнитных волн.
Что такое «закрученный» фотон?
Обычно электромагнитное излучение описывается плоскими волнами. Поверхности постоянной фазы таких волн – плоскости. Однако в квантовой оптике есть понятие «закрученных» (или вихревых) волн и соответствующих фотонов. Их волновой фронт напоминает не плоскость, а винтовую лестницу или штопор. Такие фотоны называют «закрученными», и они несут информацию не только об энергии и поляризации, но и о проекции момента импульса.
Обычно, чтобы создать такой свет, используют сложные оптические элементы: фазовые пластинки, метаповерхности или дифракционные решетки. Но у всех этих методов есть существенный недостаток: у них либо слишком низкая яркость, либо они работают в очень узком диапазоне длин волн. Ондуляторное излучение, рассматриваемое в данной работе, свободно от таких недостатков. Оно обладает высокой яркостью и может генерироваться в очень широком диапазоне частот.
От классики Гинзбурга к вальсу электронов
Чтобы оценить глубину новой исследовательской работы томских физиков, нужно вспомнить основы. В середине XX века великий советский физик, лауреат Нобелевской премии Виталий Лазаревич Гинзбург разработал теорию излучения релятивистских частиц в периодических структурах. Он показал: если пустить электрон через магнитное поле, которое чередуется «север-юг-север», частица начинает вибрировать и испускать электромагнитные волны. Это явление легло в основу работы ондуляторов — устройств, которые сегодня генерируют ярчайшее электромагнитное излучение в различных диапазонах в лабораториях по всему миру.
В своей классической работе Гинзбург рассматривал одночастотный ондулятор. Проводя аналогию с музыкальными инструментами, одночастотный ондулятор — это камертон: он дает чистую, предсказуемую ноту и слабые высшие гармоники. Но что, если мы хотим получить не просто ноту, а сложный музыкальный аккорд? Для этого нужно усложнить инструмент.
Томские физики-теоретики сделали именно это. Вместо одного набора магнитов, создающего одну частоту колебаний электрона (один «инструмент»), они берут M таких наборов с разными периодами и, следовательно, разными частотами (М «инструментов»).
– Представьте себе скрипача, который играет не просто ноту «ля», а целый аккорд, да так, что каждая струна звучит со своим неповторимым ритмом и вращением смычка. Примерно это происходит, когда ультрарелятивистский электрон пролетает через особую магнитную структуру – многочастотный ондулятор, – объясняют авторы исследования.
Электрон, пролетая через «симфонию» магнитных полей ондулятора, начинает двигаться по сложной, замысловатой траектории, которая складывается из нескольких простых колебаний. Он не просто дрожит с одной частотой — он «танцует вальс», где каждый шаг подчиняется своей мелодии. И в результате этого танца рождается фотон.
Ключевое открытие ученых из Томска заключается в том, что этот фотон рождается не в каком-то одном чистом состоянии, а в квантовой суперпозиции множества «закрученных» мод. Это как если бы оркестр сыграл не одну ноту, а сложный аккорд, где каждая нота имеет свою громкость (амплитуду) и свою фазу.
Читайте подробнее на сайте Минобрнауки .