Пучки света, которые могут быть направлены в штопорообразные формы, называемые оптическими вихрями, сегодня используются в различных приложениях. Раздвигая границы структурированного света, гарвардские прикладные физики из Школы инженерных и прикладных наук Джона А. Полсона (SEAS) сообщают о новом типе оптического вихревого луча, который не только закручивается при движении, но и изменяется в разных частях с разной скоростью, создавая уникальные узоры. То, как ведет себя свет, напоминает спиралевидные формы, распространенные в природе.

Исследователи позаимствовали из классической механики, чтобы назвать свой никогда ранее не демонстрировавшийся световой вихрь «оптическим ротатумом», чтобы описать, как крутящий момент на форме штопора света постепенно меняется. В ньютоновской физике «ротатум» — это скорость изменения крутящего момента на объекте с течением времени.

Оптический ротатум был создан в лаборатории Федерико Капассо, профессора прикладной физики Роберта Л. Уоллеса и старшего научного сотрудника Винтона Хейса в области электротехники в SEAS. «Это новое поведение света, состоящее из оптического вихря, который распространяется в пространстве и изменяется необычным образом», — сказал Капассо. «Это потенциально полезно для манипулирования малой материей». Исследование опубликовано в Научные достижения.

Исследователи обнаружили, что их орбитальный луч света, несущий угловой момент, растет по математически узнаваемой схеме, встречающейся во всем природном мире. Отражая последовательность чисел Фибоначчи (ставшую известной в «Коде да Винчи»), их оптическое вращение распространяется по логарифмической спирали, которая видна в раковине наутилуса, семенах подсолнуха и ветвях деревьев.

«Это был один из неожиданных моментов этого исследования», — сказал первый автор Ахмед Дорра, бывший научный сотрудник лаборатории Капассо, а теперь доцент Технологического университета Эйндховена. «Надеюсь, мы сможем вдохновить других специалистов в области прикладной математики на дальнейшее изучение этих световых узоров и получить уникальное представление об их универсальной подписи».

Исследование основано на предыдущей работе, в которой команда использовала метаповерхность, тонкую линзу, вытравленную наноструктурами, преломляющими свет, для создания светового луча с контролируемой поляризацией и орбитальным угловым моментом вдоль пути его распространения, преобразуя любой входящий свет в другие структуры, которые изменяются по мере их движения. Теперь они привнесли еще одну степень свободы в свой свет, в которой они также могут изменять его пространственный крутящий момент по мере его распространения.

«Мы демонстрируем еще большую универсальность управления, и мы можем делать это постоянно», — сказал Альфонсо Пальмьери, аспирант лаборатории Капассо и соавтор этого исследования.

Потенциальные варианты использования такого экзотического луча света включают контроль очень мелких частиц, таких как коллоиды во взвешенном состоянии, путем введения нового типа силы в соответствии с необычным крутящим моментом света. Это также может позволить использовать точный оптический пинцет для микроманипуляций с мелкими предметами.

В то время как другие демонстрировали свет с изменением крутящего момента с помощью высокоинтенсивных лазеров и громоздких установок, команда из Гарварда создала свой свет с одним жидкокристаллическим дисплеем и лучом низкой интенсивности. Продемонстрировав, что они могут создать ротатум в совместимом с отраслью интегрированном устройстве, барьер для входа в их технологию становится намного ниже, чем в предыдущих демонстрациях.