Обычный для нас свет обладает исключительной скоростью распространения, позволяющей ему мгновенно перемещаться между точками пространства. Так, всего за секунду он способен преодолеть значительную часть пути между Землей и Луной. Благодаря этому качеству свет стал незаменимым инструментом для передачи данных, требующих высокой оперативности в современном мире.
Иногда может показаться необычным, что значительные современные научные открытия, касающиеся изучения света, связаны с его исследованием в пространствах, размеры которых значительно меньше диаметра человеческого волоса. В таких микроскопических масштабах, часто измеряемых десятками нанометров, форма света определяется типом и конфигурацией вещества, в котором он распространяется. Важной характеристикой света в этом контексте является его поляризация, которая определяет направление колебаний электрического поля при его распространении. В линейно поляризованном свете электрическое поле колеблется в заданном направлении, подобно веревке, раскачиваемой вверх и вниз. При круговой поляризации электрическое поле вращается по мере распространения света, формируя спиралевидную структуру. Круговую поляризацию света также называют «спином», и это свойство можно использовать для кодирования и передачи данных, а также для управления движением света в наноразмерных конструкциях.
Создание света со спином на наноуровне – сложная задача, поскольку поляризация зачастую зависит от формы материала. Так, вытянутая наноструктура, подобно радиоантенне, обычно излучает свет, поляризованный вдоль своей длины, а не вращающийся свет, который был бы предпочтительнее.
В сложившейся ситуации ученые из Токийского научного университета, совместно с Институтом молекулярных наук в Японии нашли способ обойти это ограничение. Команда под руководством профессора Марка Сэдгроува показала, что если ударить по золотому наностержню длиной около 150 нанометров смещенным электронным пучком, то окружающий его свет начнет вращаться. Статья была опубликована в журнале Nano Letters.
Профессор Сэдгроув объясняет этот эффект, используя простую аналогию: «Если вы когда-нибудь щелкали один из концов ручки, лежащей на столе, то знаете, что она не только перемещается вперед, но и стремится вращаться». Несмотря на существенные различия в механизме генерации света и этого обыденного примера, идея создания дисбаланса для возникновения спинового вращения остается актуальной. В частности, интенсивность спинового вращения света возрастает пропорционально расстоянию, на котором луч попадает на наностержень от его центра. Следует подчеркнуть, что возбуждение наностержня вне его центра приводит к возникновению круговой поляризации, в то время как вытянутая форма стержня обычно обеспечивает только стандартную линейную поляризацию.
Для подтверждения круговой поляризации света вблизи стержня потребовался нестандартный подход. В обычных экспериментах такого рода обычно регистрируется лишь интенсивность света, и невозможно установить, происходит ли его вращение. Чтобы преодолеть эту трудность, ученые разместили золотой наностержень на ультратонком оптическом волокне, которое обладает уникальной особенностью: направление распространения света по волокну определяется тем, вращается ли свет вблизи стержня по часовой стрелке или против нее. Определив, из какого конца волокна выходит свет, исследователи смогли установить наличие вращения. «Несмотря на видимую простоту эффекта, только наше понимание свойств оптических волокон позволило нам зафиксировать его», – отмечает профессор Сэдгроув.
Результаты экспериментов полностью совпадали с данными моделирования. При перемещении электронного пучка с одной стороны наностержня на другую наблюдалось изменение направления света, проходящего через волокно, что указывало на изменение направления его вращения.
Согласно результатам исследования, вращающееся свечение может быть сгенерировано вне центра даже в базовой наноструктуре. Это предоставляет более доступный метод контроля над спином света, включая отдельные фотоны. Это может оказаться особенно важным в интегрированных оптических схемах, где требуется компактное и результативное управление световыми потоками. В будущем данная методика может привести к разработке способов кодирования, передачи и обработки информации посредством света, что будет способствовать прогрессу квантовой связи и фотонных технологий нового поколения.
[Фото: Профессор Марк Сэйдгров из Токийского университета науки, Япония. Ссылка на изображение: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c05644 ]