Парадоксы света. Челябинские ученые исследуют фотонные эффекты

4 Октября 2018 Автор: Евгений Аникиенко Фото: предоставлено пресс-службой ЮУрГУ
Парадоксы света. Челябинские ученые исследуют фотонные эффекты


Последние открытия ученых-оптиков, исследующих поляризацию света, дают немыслимые возможности для познания природы, создания лазерной и медицинской техники завтрашнего дня.

В ЮУрГУ запущен масштабный научный проект «Спин-орбитальное взаимодействие света для фотоники будущего». Это и стало главной темой нашего разговора с одним из первооткрывателей новых оптических эффектов Наталией Кундиковой, доктором физико-математических наук, профессором, деканом физического факультета ЮУрГУ, лауреатом премии Галилео Галилея за исследования в области физической оптики.

Оптоэффект Магнуса

— Что такое поляризация света? Каков ее физический смысл?

— Свет — это электромагнитная волна, и при распространении кончик электрического вектора волны может либо двигаться по прямой (линейная поляризация), либо описывать окружность. Свет можно рассматривать и как волны, и как поток фотонов. Для понимания этих процессов рассмотрим очень грубую механическую аналогию и представим, что фотон — это шарик, который вращается вокруг собственной оси. В механике известно, что такой шарик будет двигаться не по прямой, а отклоняться от прямолинейного распространения, причем направление отклонения зависит от того, в каком направлении он вращается. Так и фотоны с разной циркулярной поляризацией отклонятся при движении в разные стороны. Это один из эффектов спин-орбитального взаимодействия света, или взаимовлияния его поляризации и направления распространения, который был назван оптическим эффектом Магнуса.

Поляризация света проявляется и просто при его отражении. Из школьного курса физики всем известно, что угол отражения равен углу падения. Но когда мы начинаем рассматривать отражение света в субволновом масштабе, то оказывается, что угол отражения может не равняться углу падения, а его величина зависит от поляризации и от того, от какой поверхности свет отражается.

— Ваши исследования возникли не на пустом месте? От чего вы оттолкнулись в изучении этих явлений?

— В квантовой физике поляризации и траектории светового пучка соответствуют спиновый и внешний орбитальный угловой моменты фотонов. В начале прошлого века начались отдельные исследования влияния поляризации на направление распространения света и траектории на поляризацию.

Добавлю, что такие исследования велись разными группами ученых независимо друг от друга и никто эти эффекты не рассматривал как взаимообратные. И только в 1991 году после экспериментального обнаружения сотрудниками лаборатории нелинейной оптики под руководством члена-корреспондента РАН Бориса Зельдовича оптического эффекта Магнуса был впервые введен в научную лексику термин «спин-орбитальное взаимодействие фотона (света)».

Лазерный пинцет

— Могут ли эти свойства света найти практическое применение?

— Недавно на основе оптического эффекта Магнуса сделано устройство, позволяющее поворачивать плоскость поляризации. Таких систем в традиционной оптике много, но настолько миниатюрный захват размером всего в несколько микрон, на мой взгляд, уникален: он был изготовлен на основе эффекта влияния траектории на поляризацию. Такие устройства как раз и могут найти применение в фотонике — области оптики, которая работает на уровне субмикронных масштабов. Циркулярную поляризацию можно использовать для вращения микрочастиц.

— А как это работает? И где оптический захват может стать незаменимым инструментом исследователя — например, в науке для познания микромира, медицине, других сферах нашей жизни?

— Устройства, которые позволяют захватить микрочастицу, называются лазерными пинцетами, а если лазерный пучок еще и циркулярно поляризован, то захваченная частица будет вращаться вокруг собственной оси. Такие лазерные пинцеты можно использовать для медицинской диагностики, для исследования свойств биологических жидкостей.

Бег по кругу

— А может ли и спин-орбитальное взаимодействие послужить созданию техники будущего?

— Конечно же, так и будет! Однако сейчас можно говорить не о самом явлении спин-орбитального взаимодействия света, а о тех наработках, которые сопутствовали исследованию оптических эффектов. И одна из главных точек приложения этих наработок — медицина. Наша соотечественница Татьяна Новикова, которая руководит оптической лабораторией в высшей школе «Эколь политекник» в Париже, занимается использованием поляризации света для визуализации раковых опухолей. В лаборатории создана мобильная установка, которая работает в госпитале во время операций. Поляризованное излучение от здоровой и пораженной поверхности кожи или слизистой оболочки рассеивается по-разному, и по структуре «картинки» можно судить об очагах поражения.
Французские оптики пока используют традиционные лазеры с поляризованным излучением. Совместно с коллегами из «Эколь политекник» мы думаем о том, можно ли применять излучение с внутренним орбитальным угловым моментом — так называемые пучки-баранки с особым волновым фронтом. У нас уже есть опыт работы со световыми «баранками», и мы с учеными из Франции будем продолжать совместные исследования. Возможно, такие пучки в перспективе будут применять для ранней диагностики онкологических заболеваний.

— Что представляют собой эти «баранки»? И как еще их можно заставить работать?

— Лазерный луч, отражаясь от плоской поверхности, формирует структурированное излучение, как бы состоящее из отдельных зерен света. А между ними есть темные места — «дырки» со спиральным волновым фронтом. Если такой сфокусированной «баранкой» захватить частицу, то она уже будет не вращаться вокруг собственной оси, а бегать по кругу! И это всего-навсего влияние давления света.

— А будет ли у ваших исследований свое продолжение? Как разгадать еще не познанные тайны света?

— Нами предсказаны три новых эффекта спин-орбитального взаимодействия света. Пока мы смогли экспериментально доказать влияние поляризации и траектории света на внутреннюю структуру пучка. То есть два угловых момента влияют на третий, а значит, изменяя их, можно влиять на структуру излучения! Можно предположить, что траектория и внутренняя структура света, в свою очередь, влияют на поляризацию. Но это только гипотеза. Необходимо смоделировать поведение света, понять, в каких условиях этот эффект может проявляться, и конечно же, исследовать экспериментально.

Результаты наших новых исследований будут озвучены на международных конференциях, которые пройдут в Нидерландах и Франции в октябре этого года.
Сегодня | 13:10
Чистоплотная публицистика о российской дипломатии

Мария Ходынская-Голенищева теперь нейтрализует не только международный терроризм, но и журналистскую некомпетентность.

15.11.2018 | 15:29
На лбу написано? Уральские ученые изобрели прибор для психологической экспертизы

Может ли машина исследовать наше психоэмоциональное состояние, способность адекватно мыслить и совершать поступки в критических жизненных ситуациях?

16.11.2018 | 17:27
Молочные реки. В Челябинской области растут надои и привесы

Эту новость сообщили на областном совещании в минсельхозе, посвященном итогам работы животноводства за 10 месяцев 2018 года.

16.11.2018 | 16:33
Челябинская область получила сертификат о создании биосферного резервата

Как сообщили в региональном правительстве, в область пришел официальный документ, подтверждающий создание в регионе биосферного резервата «Горный Урал».

Новости   
Спецпроекты