Прямой способ измерения орбитального углового момента
Бразильские ученые предложили простую и действенную методику измерения орбитального углового момента светового потока. Предложенная схема добавляет мощный инструмент для исследований этого необычного свойства, которое когда-нибудь может быть задействовано при кодировании информации в квантовых вычислениях.
Световой поток обладает таким свойством, как угловой момент, который может воплощаться в двух вариантах. Первый вариант – аналог «спина», соответствующий правой или левой поляризации света (это означает, что вектор электрического поля в электромагнитной волне вращается либо по, либо против часовой стрелки). Второй вариант - орбитальный угловой момент, подразумевающий изменение направления электрического поля в пределах некоторого сектора. Орбитальный угловой момент широко исследуется лишь в последние 20 лет; в терминах механики он напоминает скорее вращение планет вокруг солнца, нежели их обращение вокруг своей оси. Представьте, например, измерение направления электрического поля в каждой точке вокруг луча большого диаметра. Если рассматривать «поперечное сечение» светового потока, то вектор напряженности электрического поля на границе луча (в зависимости от точки, в которой он измеряется) может указывать вверх, направо «на три часа», вниз или налево «на девять часов». Такой луч будет иметь орбитальный угловой момент (топологический заряд), равный единице. В случае с полем, имеющим заряд, равный двум, вектор напряженности электрического поля сделает два полных оборота вокруг направления светового потока.
Учитывая возможность квантовать топологический заряд светового потока, ученые надеются использовать описанное свойство для кодирования информации в оптических вычислениях так, как ранее планировалось использовать в этих целях поляризацию. Научные статьи по этой теме начали появляться уже в 2002 году.
На сегодняшний день физики научились формировать лучи, имеющие определенный орбитальный момент и активно используют их для исследования углового момента отдельных частиц. Продолжая исследования в этом направлении, бразильские ученые из Federal University of Alagoas обнаружили, что пропускание светового потока через треугольное отверстие позволяет практически напрямую измерить орбитальный угловой момент. Достаточно лишь посчитать число пятен в результирующей дифракционной картине; и оно даст орбитальный угловой момент луча. Подробно результаты своей работы ученые описали в журнале Physical Review Letters.
Идея методики заключается в том, что поток света, проходя через треугольное отверстие, создает треугольный массив точек. Подобные дифракционные картины давно используются учеными для восстановления свойств изначального луча; однако, реализация данной техники, позволяющая измерить угловой орбитальный момент, гораздо сложнее. Во-первых, для измерений требуется использование именно треугольных отверстий. Этот факт был обнаружен учеными экспериментальным путем при попытках пропускать лучи через отверстия самых разнообразных форм. Во-вторых, луч должен быть сфокусирован на отверстии. В этом случае результирующая картина будет нетипична: она будет представлять собой треугольное множество ярких пятен. Расчеты показывают, если треугольник из самых ярких пятен будет иметь по 1 стороне N пятен, то угловой орбитальный момент этого луча будет равняться (N-1). Подобное простое соотношение явилось настоящим сюрпризом для исследователей. Естественно, работы в данном направлении будут продолжены.
