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 | 15:05
«Подкова» мегаполиса. Борис Дубровский побывал с рабочим визитом в Сосновском районе

Сосновский район, который примыкает к Челябинску с северо-запада, считается основным вектором развития областного центра. «Челябинск будет развиваться в эту сторону», — уверяют чиновники, а стоимость недвижимости, из-за которой территорию называют «челябинской Рублевкой», косвенно подтверждает теорию.

Сегодня | 13:25
Как городок МВД стал ровесником Челябинской области

Ровно 85 лет назад, 17 января 1934 года, вышло постановление Всероссийского центрального исполнительного комитета (ВЦИК), имевшее специальное название «О разделении Уральской области». Этот исторический документ можно считать официальным свидетельством о рождении нашего региона.

Сегодня | 16:39
К саммитам ШОС и БРИКС в центре Челябинска обновят 14 объектов культурного наследия

Глава региона взял под контроль важную для имиджа города работу по возрождению исторических зданий.

Сегодня | 12:06
Прокуратура подтвердила законность транспортной реорганизации скорой Копейска

Правомерность аутсорсинга автотранспорта неотложки проверялась по инициативе депутата Госдумы Анатолия Литовченко.

Новости   
Спецпроекты