Поляризацию света закрутили в ленту Мёбиуса

Каждый школьник на уроке геометрии слышал про ленту Мёбиуса, многие конструировали её у себя дома из бумаги, ножниц и клея. Это одно из чудес науки, которое легко воспроизвести и доказать при помощи подручных предметов, но физики решили пойти дальше: международная команда учёных собралась, чтобы "закрутить" в ленту Мёбиуса поляризацию света.

"Оптическая поляризация ― один из немногих примеров существования ленты Мёбиуса в природе, а не в классе геометрии", — поясняет ведущий автор исследования Роберт Бойд (Robert Boyd), физик из университета Рочестера.
Эксперимент по изготовлению ленты Мёбиуса из поляризации света представляет огромный интерес не только для специалистов, изучающих фундаментальное понимание оптической поляризации, но и для инженеров, занимающихся созданием сложных структур в микро- и наномасштабах.

Как поясняют учёные в пресс-релизе, свет является электромагнитной волной, а значит, он обладает поляризацией ― направление, в котором электрическая составляющая поля колеблется (обычно обозначается вектором, конец которого описывает некоторую кривую).

Знания о понятии поляризации света широко применяется в современной фундаментальной науке и высоких технологиях.
Известно, что поляризация солнечных лучей разнонаправлена в случайном порядке (векторы хаотично указывают в разные стороны и соответствующим образом двигаются), и ориентация электрического поля одного луча не зависит от соседнего и всех остальных. Однако, когда свет отражается от каких-либо однородных поверхностей или объектов, например, воды, стекла или поверхности асфальта, он приобретает определённую поляризацию.

Используя эти знания, инженеры-оптики научились делать поляризованные очки, которые способны блокировать свет с определённым направлением поляризации и уменьшать таким образом количество ослепляющих бликов.

В своём новом эксперименте Бойд и его коллеги использовали особый вид светового луча — сфокусированный лазерный, так называемый структурированный свет (structured light). Структурированный свет имеет специфическое распределение поляризации и интенсивности в световом пучке. Следовательно, электромагнитное поле осциллирует по-разному для разных частей пучка, и не всегда под прямым углом к направлению движения света, как это было бы в случае со стандартным лазерным лучом.

В высокоструктурированном пучке компоненты электрического поля могут меняться во всех трёх измерениях, что и нужно для построения ленты Мёбиуса. Физики, скомпоновав лазерные лучи с разными характеристиками, заставили их взаимодействовать друг с другом. Кроме того, учёные использовали особые оптические инструменты (например, жидкокристаллические линзы) для перенаправления и изменения характеристик света.

В результате у них получился световой луч, поляризация которого менялась в зависимости от ширины. В центре пучка он имел круговую поляризацию, а ближе к краям ― линейно поляризован (с различным направлением вектора поляризации). Подключив ещё одну линзу, физики добавили системе третье измерение и получили ленту Мёбиуса из поляризации шириной всего 200-250 микрометров.
Световые ленты Мёбиуса продемонстрировали, как электрическое поле сориентировано в каждом положении круговой траектории, относительно оси лазерного луча.

Работа Бойда и его коллег, по сути, показала, что теория Исаака Фройнда (Isaac Freund) из университета Бар-Илан в Израиле, выдвинутая в 2005 году, является практически реализуемой. Теоретик показал, что манипуляции с двумя лазерными лучами могут привести к тому, что ось, относительно которой колеблется их суммарное электрическое поле (тот самый вектор поляризации), будет описывать ленту Мёбиуса. Ранее учёные считали, что имеют лишь математическое описание, но никогда не получат его физическое воплощение.

Бойд пояснил в статье журнала Science, что методика, которую он использовал в своём эксперименте, имеет большие перспективы для исследований структур других видов световых пучков, для создания метаматериалов с невероятными свойствами и необычных оптических устройств.