Свет, каким мы его обычно представляем, характеризуется поразительной скоростью, с которой он распространяется из одной точки в другую. Например, всего за одну секунду свет может преодолеть большую часть расстояния между Землей и Луной. Именно это свойство делает его удобным для информации, которая в наше время должна передаваться с молниеносной скоростью.
Поэтому может показаться странным, что многие современные открытия в области научного изучения света связаны с его ограничением областями, размер которых намного меньше толщины человеческого волоса. В таких малых объемах, часто измеряемых десятками нанометров, форма света зависит от типа и геометрии материала, в котором он распространяется. Важным свойством света в этом аспекте является его поляризация, которая определяет, как колеблется электрическое поле при распространении света. В линейно поляризованном свете электрическое поле колеблется взад и вперед в фиксированном направлении, как веревка, которую раскачивают вверх-вниз. При круговой поляризации электрическое поле вращается по мере распространения света, образуя спиралевидную структуру. Круговую поляризацию света также называют «спином», и это свойство можно использовать для кодирования и передачи информации, а также для управления распространением света в наноразмерных устройствах.
Однако создание света со спином на наноуровне представляет собой непростую задачу, поскольку поляризация часто зависит от формы материала. Например, вытянутая наноструктура, подобно радиоантенне, обычно излучает свет, поляризованный вдоль вытянутой оси, а не вращающийся свет, как хотелось бы.
На этом фоне исследователи из Токийского научного университета в сотрудничестве 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 с помощью простой аналогии: «Если вы когда-нибудь щелкали по одному из концов ручки, лежащей на столе, то знаете, что ручка не только движется вперед, но и стремится вращаться». Хотя принцип генерации света сильно отличается от этого обыденного примера, концепция создания дисбаланса для возникновения спинового вращения применима и здесь. В частности, чем дальше от центра наностержня попадает луч, тем сильнее спиновое вращение света. Важно отметить, что при возбуждении наностержня вне его центра возникает круговая поляризация, хотя вытянутая форма стержня обычно обеспечивает только стандартную линейную поляризацию.
Чтобы продемонстрировать, что свет вблизи стержня поляризован по кругу, потребовался творческий подход. В типичных экспериментах такого рода фиксируется только яркость света, и нет возможности определить, вращается ли он. Чтобы решить эту проблему, исследователи поместили золотой наностержень на ультратонкое оптическое волокно, обладающее особым свойством: направление, в котором свет проходит по волокну, зависит от того, вращается ли свет вблизи стержня по часовой стрелке или против. Измерив, из какого конца волокна выходит свет, ученые смогли подтвердить наличие вращения. «Несмотря на кажущуюся простоту эффекта, только наше знание свойств оптических волокон позволило нам его измерить», — говорит профессор Сэдгроув.
Эксперименты в точности соответствовали результатам моделирования. Когда электронный пучок перемещался с одной стороны наностержня на другую, направление, в котором свет проходил через волокно, менялось на противоположное, что свидетельствовало о смене направления вращения света.
Исследование показало, что возбуждение вне центра может генерировать вращающийся свет даже в простой наноструктуре. Это открывает более простой способ управления спином света, в том числе отдельных частиц света (фотонов). Это может быть особенно полезно в интегрированных оптических схемах, где важно компактное и эффективное управление светом. В перспективе этот подход может открыть способы кодирования, передачи и обработки информации с помощью света, способствуя развитию квантовой связи и фотонных технологий следующего поколения.
