Свет представляет собой фундаментальное явление, используемое широко практически во всех областях жизни и деятельности человека. Из-за этого свету было уделено и уделяется сейчас столь большое внимание со стороны ученых. Это, в свою очередь, позволяет с уверенностью сказать, что свет уже достаточно хорошо изучен, определены точные значения связанных с ними физических констант, ограничений и особенности его поведения. Однако, ученые-физики из Тринити-Колледжа в Дублине (Trinity College Dublin) обнаружили новую экзотическую форму «закрученного» света, угловой момент вращения которого не равен целому числу. Другими словами, этот свет не подчиняется целому ряду известных законов.
Вращение луча света вокруг его оси характеризуется параметром под названием угловой момент, который связывает количество инерции и скорость движения по кругу. Этот угловой момент, по крайней мере, так было раньше, должен быть кратен значению постоянной Планка (целое значение, описывающее отношение энергии одного кванта (фотона) электромагнитного излучения к его частоте). Это, в свою очередь означает, что значение углового момента луча закрученного света всегда должно быть целым числом.
«Луч света характеризуется многими известными параметрами, такими, как цвет (длина волны), и менее известными параметрами, такими, как угловой момент» — рассказывает профессор Джон Донегэн (John Donegan), — «Угловой момент описывает процесс вращения луча света при его движении по прямой линии».
В одном из экспериментов ученые обнаружили новую форму света, фотоны которого имели угловой момент, кратный числу 0.5. Это не стало слишком большой неожиданностью, ведь в 1980-х годах ученые провели теоретические исследования в области квантовой механики, результаты которых указали на возможность существования света с подобными значениями углового момента. И теперь эта теория получила первое практическое подтверждение.
В своем эксперименте ученые использовали явление, открытое почти две сотни лет назад. Это явление заключается в том, что луч света, прошедший через определенные кристаллы, принимает форму полого цилиндра. Этот метод, с небольшими дополнениями, ученые использовали для получения лучей закрученного света. Свет сначала пропускался через поляризационный фильтр, затем через кристалл и после всего этого он попадал на приемник интерферометра, при помощи которого производились точные измерения смещения длины волны.
Один из расколотых в недрах интерферометра лучей закручивался вокруг своей оси и повторно объединялся со вторым лучом. И как раз этот луч синтезированного света являлся предметом интереса со стороны ученых. Ученые производили записи изменений параметров этого потока света, вызванных некоторыми эффектами из области квантовой физики. Ученые ожидали увидеть в полученных результатах череду значений, кратных постоянной Планка, но некоторые из фотонов имели угловой момент с дробной величиной.
«Сейчас мы занимаемся исследованиями, направленными на выяснение того, как можно заставить обнаруженное нами явление работать на благо людей» — рассказывает Пол Истэм (Paul Eastham), один из исследователей, — «Свет, обладающий столь необычными параметрами, может использоваться в оптическом варианте реализации так называемых топологических квантовых вычислений, пока еще теоретического метода, в котором используются двухмерные квазичастицы. Кроме этого, мы сможем использовать дробное значение углового момента для увеличения полосы пропускания существующих оптоволоконных коммуникационных линий».
