Новый эксперимент переворачивает представления о природе закрученного света

Явление переходного излучения — электромагнитных волн, возникающих при пересечении заряженной частицей границы двух сред, – было теоретически предсказано еще в середине XX века Виталием Гинзбургом и Ильёй Франком. Долгое время считалось, что все свойства этого излучения известны, пока в 2019 году группа российских физиков-теоретиков из Томского государственного университета – Олег Богданов, Пётр Казинский, Пётр Королёв, Георгий Лазаренко – и Тимур Тухфатуллин из Алматинского филиала МИФИ не занялась исследованием его орбитального углового момента (ОУМ).

Все известные до сих пор источники закрученных фотонов – фотонов с ОУМ – требовали создания условий, в которых, так или иначе, присутствует спиральная симметрия:

• Спиральные траектории электронов в ондуляторах;
• Спиральные фазовые пластинки, через которые пропускается лазерный пучок плосковолновых фотонов;
• Спиральная структура среды, через которую проходит излучение или пролетают заряженные частицы.

Прорывная идея российских физиков заключалась в том, что вихревое излучение, то есть излучение с ОУМ, может возникать и при прямолинейном движении электронов, если соблюдены условия когерентности излучения и сгусток электронов достаточно мал.

Проверить эту идею на практике решили японские физики-экспериментаторы под руководством Юити Такабаяши. Подготовка к эксперименту шла два года при консультационной поддержке ученых физического факультета ТГУ.

В синхротронном центре SAGA Light Source японские физики направили пучок электронов с энергией 220 МэВ на мишень в виде позолоченной пластинки. Длина пучка и его поперечные размеры были подобраны так, чтобы выполнялось условие когерентности излучения, обеспечивающее генерацию закрученных фотонов. Для анализа углового момента переходное излучение пропускали через два типа апертур:

• Треугольную апертуру, дающую характерную дифракционную картину с тремя яркими пятнами;
• Двойную щель, смещающую интерференционные полосы при наличии ОУМ.

Результат оказался элегантным и точно таким, как предсказывала теория российских физиков:

• При круговой поляризации s = ±1 излучение приобретало ОУМ l = ∓1;
• Полный угловой момент сохранялся: m = l + s = 0.

– Самое удивительное, что ОУМ оказался свойственен даже такому «простому» излучению, как переходное. Это значит, что закрученные фотоны могут быть вокруг нас, например, в космических лучах, бомбардирующих атмосферу. Мы привыкли думать, что для создания вихря нужен вихрь. Однако оказалось, что даже прямолинейность может порождать спираль, если смотреть достаточно внимательно, – комментирует результаты работы профессор физического факультета Томского государственного университета Пётр Казинский.

Это открытие напоминает нам, что даже в казалось бы изученных явлениях скрыта глубокая красота. Физика – это не только формулы. Это поэзия, записанная на языке дифференциальных уравнений. И иногда – как в этом эксперименте – стихи оказываются удивительно красивыми.

ТГУ

77 статей

Национальный исследовательский Томский государственный университет (ТГУ) — первый российский университет на территории Русской Азии (фактически первый российский университет восточнее берегов Волги), один из 29 национальных исследовательских университетов.

Показать больше

Закладка

Скопировать ссылку

Email

Печать

Twitter

VK

Telegram