История закрученного света

О том, что световая волна несет не только энергию и импульс, но еще и угловой момент, было известно столетие назад. Поначалу, конечно, угловой момент ассоциировался только с поляризацией света, или, другими словами — как это выяснилось после создания квантовой теории излучения, — со спином фотонов. Но довольно быстро было понято, что фотоны могут нести и орбитальный угловой момент. В конце концов, когда электрон в атоме перепрыгивает с энергетического уровня с большим L в состояние с маленьким и излучает один фотон, то этот фотон просто обязан уносить какой-то орбитальный угловой момент, какое-то «вращение».

Это всё не вызывало никакого удивления и не ассоциировалось с каким-то «закрученным светом» — просто потому, что такие фотоны не летят в каком-то определенном направлении. Фотон, излученный возбужденным атомом, распространяется в виде расширяющейся волны сразу во все стороны. Когда такой фотон попадает в какое-то регистрирующее устройство или вызывает какой-то иной физический процесс, то он воздействует локально, лишь маленьким кусочком своего фронта — и тут же происходит квантовый коллапс световой волны, и от его «закрученности» не остается и следа.

Через некоторое время были созданы лазеры, лазерным светом научились управлять, развивалась теория описания его электромагнитного поля. И в какой-то момент пришло осознание того, что эти два свойства — направленность светового пучка и его закрученность — вовсе не противоречат ни друг другу, ни строгому теоретическому утверждению квантовой теории о том, что спин и орбитальный момент нельзя абсолютно четко разделить для произвольного светового поля. Как оказалось, для узконаправленного лазерного луча — вполне можно. В пионерской статье 1992 года PRA 45, 8185 (1992) этот вопрос впервые был внимательно изучен. Помимо теории, в этой статье были предложены и конкретные схемы создания и детектирования закрученности.

Три года спустя закрученный свет был получен экспериментально. Точнее, экспериментаторы убедились, что специальным образом приготовленная мода лазерного света, которую умели создавать и раньше, действительно отвечает закрученному свету. Сделали это изящно: в фокусе лазерного луча удалось «подвесить» микрочастицу. Поглощая свет, она начинала вращаться, и направление ее вращения зависело вовсе не от поляризации света, а от того, в какую сторону он был закручен.

После этого начался лавинообразный поток исследований закрученного света. Было разработано еще несколько методик получения фотонов с орбитальным угловым моментом, простейший из которых можно реализовать чуть ли не в домашних условиях. Для этого вам потребуется взять хороший лазерный принтер и распечатать на прозрачке (специальный лист бумаги) дифракционную решетку с дислокацией (рис. 3, слева) — но только, конечно, в сильно уменьшенном масштабе. После этого в центр решетки нужно посветить обычным лазерным лучом, правда с хорошей поперечной когерентностью. После прохождения решетки один луч расщепится на несколько — как и должно быть для всякой дифракционной решетки, — но только каждый лучик теперь будет нести свой определенный орбитальный угловой момент (рис. 3, справа).

Рис. 3. Слева: дифракционная решетка с дислокацией. Справа: после прохождения такой решетки один луч расщепляется на несколько с разными состояниями закрученности

Параллельно с фундаментальными исследованиями начали развиваться и разнообразные применения закрученного света: в квантовой теории информации, в манипулировании микрочастицами и управлении микромашинами, в микроскопии, в астрофизике и т. д. Два года назад вышла даже книга, как раз посвященная самым разных применениям закрученного света (J.P. Torres, R. Torner, 2011. Twisted Photons). Все эти применения уже стали классическими, и потому мы опустим их детальное описание и перейдем к направлению исследования, которое сейчас только-только развивается.