Naukowcy od dziesięcioleci badają naturę światła, jego właściwości i sposoby manipulowania wiązkami promieniowania. Mimo to pewien mechanizm umykał ich uwadze. Jak się okazuje, światło może zachowywać się w bardziej złożony sposób, niż dotychczas zakładali uczeni. Co więcej, kluczową rolę w przełomowym eksperymencie odegrała wewnętrzna geometria światła, a nie dodatkowe urządzenia optyczne.
Czytaj też: Impulsy lasera otworzyły drzwi do nieosiągalnych stanów elektronów. Wielki sukces fizyków
Aby zrozumieć potencjalne konsekwencje tego odkrycia, musimy przyjrzeć się dwóm właściwościom światła. Pierwszą jest polaryzacja, czyli sposób, w jaki oscyluje pole elektryczne fali elektromagnetycznej. Druga to wirowość optyczna, związana z przestrzennym skręceniem struktury fali wokół kierunku jej rozchodzenia się.
Naukowcy od dawna wiedzieli, że światło może tworzyć skomplikowane wzory przestrzenne, a jego rotacja – przyjmować różne kierunki. Na pierwszy plan wysuwa się w tym przypadku chiralność, czyli właściwość odróżniająca struktury lewoskrętne od prawoskrętnych. Podobną cechę wykazują między innymi cząsteczki chemiczne, których lustrzane odbicia mogą mieć odmienne właściwości biologiczne.
Dotychczas kontrolowanie takich efektów zwykle wymagało specjalnie zaprojektowanych materiałów, powierzchni optycznych bądź precyzyjnych układów soczewek. Nowe badania pokazują, iż w odpowiednich warunkach ich stosowanie nie jest konieczne. Zespół badawczy odkrył bowiem, że wiązka przygotowana w szczególnej konfiguracji może początkowo nie wykazywać wypadkowego spinu, a mimo to podczas przemieszczania się przez przestrzeń rozwijają się w niej obszary o przeciwnych kierunkach rotacji. Innymi słowy, właściwość, która początkowo nie jest widoczna w całej wiązce, ujawnia się lokalnie w trakcie jej propagacji.
Istotne jest przy tym odpowiednie przygotowanie światła. Oczywiście to nie tak, że każda zwykła wiązka promieniowania zaczyna się obracać samoczynnie. To szczególna struktura początkowa pozwala ujawnić opisywane zjawisko. Badacze wykorzystali topologię, czyli dział matematyki zajmujący się właściwościami struktur, które pozostają niezmienne mimo ich ciągłego rozciągania lub odkształcania. Zrobili to w celu wyjaśnienia mechanizmu, z jakim się spotkali.
Czytaj też: Fizycy zaobserwowali ślad materii z pierwszych chwil wszechświata. Przełomowe odkrycie w CERN
Rozkład polaryzacji tworzy pewnego rodzaju matematyczny odcisk palca, który wpływa na zachowanie wiązki podczas jej przemieszczania się. Autorzy ustaleń w tej sprawie wykazali, że odpowiednie ukształtowanie tej struktury pozwala kontrolować, gdzie pojawiają się lewo- i prawoskrętne obszary rotacyjne. Topologia daje więc naukowcom nową możliwość sterowania właściwościami światła bez konieczności polegania na dodatkowych materiałach.
Właśnie dlatego mówimy o możliwości wykorzystania tych doniesień w wielu dziedzinach. Jednym z najbardziej obiecujących kierunków jest diagnostyka medyczna. Ponieważ wiele ważnych biologicznie cząsteczek występuje w formach lewo- i prawoskrętnych, odpowiednio ukształtowane światło mogłoby ułatwić ich rozróżnianie. W przyszłości podobne rozwiązania mogłyby zwiększyć czułość testów wykrywających określone substancje biologiczne lub wspierać badania nad bezpieczeństwem leków. Kolejnym obszarem są telekomunikacja i technologie kwantowe. Informacje można kodować w różnych strukturach przestrzennych i rotacyjnych światła, co potencjalnie pozwoli zwiększyć ilość danych przesyłanych w pojedynczej wiązce. Podobne mechanizmy mogą również znaleźć zastosowanie w czujnikach optycznych oraz systemach manipulowania mikroskopijnymi cząstkami.
Źródło: Light: Science & Applications
