Физиците завъртяха светлината на спирала

За първи път свойствата на усуканата светлина са били описани още преди двайсет години.

Това откритие има голям потенциал – то може да се приложи и в телекомуникациите, и в квантовите компютри, и в астрономията. И всичко това, защото усуканата светлина има едно уникално свойство – орбитален ъглов момент.

За две десетилетия физиците вече са успели да докажат на практика колко хубава е усуканата светлина. Със спирални лъчи астрономите са търсили екзопланети, а специалистите в областта на телекомуникациите са предавали огромни обеми информация по оптичен кабел с много висока скорост.

Усуканата светлина обикновено се създава по пътя на обстрелване на холографски дифракционни решетки с лазерни лъчи. Но този път изследователите от Националната ускорителна лаборатория SLAC и Калифорнийския университет в Лос Анджелис (UCLA) измислили нов метод за „производство” на усукана светлина.

За тази цел те използвали лъч електрони. Така физиците генерират импулси на рентгеново лазерно лъчение. Поясняваме.

На най-съвременните устройства лъчите ускорени електрони се насочват през ондулатори – идеално настроени магнити, които карат електроните да се колебаят от една страна на друга по такъв начин, че генерират лазерни лъчи.

В случая със създаването на усукана светлина учените изпращат през ондулатор едновременно два импулса – един лъч електрони и един лазерен лъч. Съчетанието на лазерния импулс и ондулатора изменят енергийното състояние на електроните.

Когато те преминават през друг масив от магнити, който се нарича шикан (формира S-образно движение), то се подреждат на завоите в извита форма, буквално като състезателни автомобили, и продължават своя път по следващата права отсечка вече по спирална траектория.

Такъв спирален лъч електрони след това попада във втория масив ондулатори, който ги кара да се колебаят и изпускат изкривена светлина.

Да споменем, че по-рано физиците са „завъртали” само видима светлина. Този път учените заговорили за възможността да променят траекторията на движение дори за рентгена.

Експериментът се провеждал на тестовия линеен ускорител NLCTA в Националната ускорителна лаборатория SLAC. Първият лъч светлина с орбитален ъглов момент бил оптичен, но Ерик Хемсинг и колегите му твърдят, че ще бъде също толкова просто да се произведе усукана светлина с къде по-кратка дължина на вълната (например рентгенова).

„Спиралните лъчи светлина, създадени по такъв начин, имат много преимущества пред обикновените. Лазерите на свободни електрони са способни да генерират лъчи светлина с различна дължина на вълната, а също много кратки и ултраярки импулси. Благодарение на това пред нас се отваря възможността за създаване на светлина с орбитален ъглов момент на рентгенова дължина на вълната”, казва водещият автор на изследването.

Ярките лъчи завъртяно рентгеново лъчение могат да бъдат полезни в изучаването на кондензирани среди. Но има един проблем – както е било в случая с производството на първите рентгенови лазери, технологията изпреварва търсенето. Много изследователи, на които светлината с орбитален ъглов момент би била от голяма полза, вероятно дори не знаят, че тя вече е достъпна и колко много могат да постигнат с нея, пишат учените.

Въпросното изследване далеч не е първото в областта на производството на лъчи светлина с дадените характеристики. То се явява продължение на мащабна работа с източници на синхронно лъчение, такива като SSRL на линейния ускорител SLAC и лазерите на свободни електрони като LCLS.

Днес една от основните задачи на физиците, работещи на SLAC, е провеждането на максимално количество експерименти, необходими за привличане на вниманието на колегите им от други университети и изследователски институти за работа с усукана светлина.

Статията на Хемсинг и колегите му е публикувана в сп. Nature Physics.

Източник: SLAC National Accelerator Laboratory