Светлинен уроборос се усука и захапа опашката си

Европейски и американски физици създадоха светлинен аналог на прочутата лента на Мьобиус.

В природата често се срещат структури на принципа на лента на Мьобиус, която лесно може да се направи от ивица хартия, като се завърти на 180 градуса и се залепят нейните краища.

Обектът, намиращ се на едната страна на тази лента, при преместване ще се окаже в същата точка от ивицата, но вече от другата ѝ страна. В случай на лента, залепена без завъртане, това би било невъзможно – обектът няма да може да се премести от другата страна на листа.

От математическа гледна точка такава лента се оказва едностранна двумерна повърхност, вложена в тримерно Евклидово пространство.

Физиците обаче доскоро не успявали да получат лента на Мьобиус на молекулярно ниво по изкуствен път. През 2010 година този проблем бил решен с използването на спиралата на ДНК като основа за лист на Мьобиус. Сега учените са успели да завъртят в лента на Мьобиус поляризация на светлината.

„Оптичната поляризация е един от малкото примери за съществуването на лента на Мьобиус в природата, а не в класа на геометрията“, пояснява водещият автор на изследването Робърт Бойд, физик от университета Рочестър.

Експериментът по получаването на лента на Мьобиус от поляризация на светлината представлява огромен интерес не само за специалистите, изучаващи фундаменталното разбиране на оптичната поляризация, но и за инженерите, занимаващи се със създаването на сложни структури в микро- и наномащаби.

Както поясняват в статия учените, светлината се явява електромагнитна вълна, а значи притежава поляризация – посока, в която електричната компонента на полето се колебае (обикновено се обозначава с вектор, чийто край описва някаква крива).

Известно е, че поляризацията на светлинните лъчи е насочена на случаен принцип (векторите хаотично сочат в различни посоки и се движат по съответен начин) и ориентацията на електричното поле на един лъч не зависи от съседния и всички останали.

Но когато светлината се отразява от каквито и да било еднородни повърхности или обекти – например вода, стъкла или повърхността на асфалт, тя придобива определена поляризация.

Използвайки тези знания, оптиците са се научили да правят поляризирани очила, които са способни да блокират светлината с определена посока на поляризация и да намаляват по този начин броя на заслепителните отблясъци.

В новия експеримент Бойд и колегите му използвали фокусиран лазерен лъч – т.нар. структурирана светлина (structured light). Структурираната светлина има специфично разпределение на поляризацията и интензивност на светлинния сноп. Следователно електромагнитното поле осцилира различно за различните части на снопа и невинаги под прав ъгъл към посоката на движение на светлината, както би било със стандартен лазерен лъч.

Във високоструктурирания лъч компонентите на електричното поле могат да се менят във всички три измерения, което е необходимо за построяване на лента на Мьобиус. Физиците, организирали лазерни лъчи с различни характеристики, ги накарали да си взаимодействат помежду си. Освен това учените използвали специални оптични инструменти (например течнокристални лещи) за пренасочване и изменение на характеристиките на светлината.

Изследователите завъртели в лента на Мьобиус поляризация на структурирана светлина.
© University of Rochester

В резултат получили светлинен лъч, чиято поляризация се променяла в зависимост от ширината. В центъра на лъча той имал кръгова поляризация, а близо до краищата бил линейно поляризиран (с различна посока на вектора на поляризация). Като включили още една леща, физиците добавили в системата трето измерение и получили лента на Мьобиус от поляризация с ширина само 200-250 микрометра.

Светлинните ленти на Мьобиус демонстрирали как електричното поле е ориентирано във всяко положение на кръговата траектория спрямо оста на лазерния лъч.

В зависимост от свойствата на лазерните лъчи изследователите наблюдавали ленти на Мьобиус с 3 или 5 полукръга.

Работата на Бойд и колегите му всъщност доказва, че теорията на Исаак Фройнд от университета „Бар-Илан“ в Израел, издигната през 2005 година, се явява практически реализируема.

Теоретикът посочвал, че манипулация с два лазерни лъча може да доведе до това, че оста, спрямо която се колебае сумарното им електрично поле (въпросния вектор на поляризация), ще описва лента на Мьобиус. Преди учените смятали, че разполагат само с математическо описание, но никога няма да получат негово физическо въплъщение.

Бойд описва, че методиката, използвана в експеримента, има големи перспективи за изследването на структурите на други видове светлинни лъчи, за създаване на метаматериали с екзотични свойства и необичайни оптични устройства.

Резултатите от изследването на учените са публикувани в изданието Science.