Закрученные фотоны за пределами оптического диапазона

Разумеется, для того чтобы быть закрученными, фотоны не обязаны принадлежать оптическому диапазону. Вопрос только в том, как эти закрученные фотоны за пределами оптического диапазона создать. Длинноволновое электромагнитное излучение, например радиоволны, создавать и закручивать несложно. Конечно, про отдельные фотоны тут речи уже не ведется, но для прикладных задач это несущественно. Например, в нашумевшей (даже в российских СМИ) статье New J. Phys. 14, 33 001 (2012), в которой сообщалось об использовании закрученных радиоволн для передачи на одной несущей частоте сразу нескольких каналов (разновидность мультиплексирования), закручивание осуществлялось с помощью простейшего устройства — обычной параболической «тарелки», которую разрезали по радиусу, а затем отогнули кромки так, чтоб получился как раз один шаг спирали (рис. 4).

Длинные радиоволны тоже несложно закручивать — например, с помощью специально настроенных фаз и мощностей фазированной антенной решетки. Такие эксперименты делались на американской станции HAARP, которая занимается облучением ионосферы радиоволнами и наблюдением за возникающим из-за этого свечением. В 2009 году эта группа исследователей опубликовала статью PRL 102, 65 004 (2009), в которой сообщается о накачке ионосферы радиоволнами с ненулевым орбитальным угловым моментом и наблюдением кольцеобразного свечения.

А вот уйти в другой конец спектра электромагнитных волн оказалось намного труднее. Стандартные методы закручивания тут уже не работают, и на это есть три причины. Во-первых, чем меньше длина волны, тем мельче должны быть детали той дифракционной решетки или иного устройства, преобразующего плоскую световую волну в закрученную. Во-вторых, все эти устройства должны быть сделаны из материала, который эффективно поглощает или отражает электромагнитные волны. Но для фотонов высокой энергии практически любое вещество становится прозрачным. И наконец, каково бы ни было это закручивающее устройство, падающая на него изначальная электромагнитная волна должна иметь достаточно большой участок ровного волнового фронта. Для фотонов высокой энергии добиться этого тоже непросто.

Тут стоит уточнить, что вообще хотят физики, когда говорят о создании закрученного света. Конечно, если вы возьмете узконаправленный луч рентгеновского излучения и просто как-то испортите его поперечный профиль, то плосковолновое излучение превратится в суперпозицию волн со всякими орбитальными угловыми моментами, то есть в том числе и в закрученные волны. Но проблема в том, что вы эти волны не разделите, не сможете получить чистый луч, несущий только определенный угловой момент. Именно получение такого луча и есть тут главная цель.

В этой ситуации наиболее перспективными кажутся попытки полностью изменить саму схему излучения закрученных фотонов. Например, в теоретической статье 2007 года было предложено использовать для этой цели спиральный ондулятор. Электронный сгусток высокой энергии не просто летит вперед в таком устройстве, а движется по спиральной траектории под действием магнитов. Из-за постоянного колебания из стороны в сторону электроны излучают электромагнитные волны, спектр которых можно поднять до рентгеновского диапазона. Как показали вычисления, из этого излучения можно извлечь и достаточно яркий пучок закрученного рентгеновского излучения. Дело оставалось за малым — реализовать это предложение на опыте.

Для достижения поставленной цели специалистам потребовалось несколько лет на доработку ондулятора специально для этой задачи, и наконец совсем недавно результат был получен. В статье PRL 111, 34 801 (2013), вышедшей в июле 2013 года, сообщается об успешном наблюдении закрученного рентгена с энергией фотонов 99 эВ. Таким образом, на шкале электромагнитных волн физика закрученного света шагнула сразу на два порядка вверх по энергии. (Более подробный рассказ об этой работе читайте в новости Закрученный свет шагнул на два порядка вверх по шкале энергий, «Элементы», 27.07.2013.).

Можно ли получить еще более высокоэнергетические закрученные фотоны, с энергиями в МэВном или даже в ГэВном диапазонах? Такие фотоны были бы шикарным инструментом исследований в ядерной физике, в физике элементарных частиц, в ускорительной физике. Здесь ситуация пока остается неясной. С одной стороны, два года назад было опубликовано заманчивое предложение использовать эффект обратного комптоновского рассеяния для получения закрученных фотонов аж ГэВных энергий. В идеале, эта схема должна работать так, как показано на (рис. 5).

Рис. 5. Предложенная схема получения закрученных фотонов высокой энергии за счет процесса обратного комптоновского рассеяния. Изображение из статьи Eur. Phys. J. C71, 1571 (2011)

Предварительно закрученный оптический фотон сталкивается с электроном очень высокой энергии (например, 10 ГэВ), который сам по себе никакой закрутки не несет. Затем происходит процесс обратного комптоновского рассеяния, в результате которого существенная часть энергии электрона передается фотону. Этот процесс на обычных фотонах изучен давным-давно и уже рутинно используется в ряде научных экспериментов. Фотон рассеивается назад, под очень маленькими углами к оси столкновения, а ослабевший электрон можно затем отвести магнитным полем. Если закрученность фотона в этом процессе не изменится, мы в результате получим то, что хотели.

Проблема только в том, что закрученность точно сохраняется только при рассеянии строго назад и только при предположении, что электрон остается плосковолновым. При отклонении на небольшой угол возникают разнообразные трудности, и пока неясно, можно ли их будет преодолеть в эксперименте. Тем не менее, даже попытка поставить такой эксперимент будет очень интересной.