Свет по спирали

Ученые обнаружили, что спин света может вести себя подобно замедляющемуся волчку: вектор спина совершает движение, при котором описывает поверхность перевернутого конуса. Ранее считалось, что подобная динамика характерна лишь для частиц, обладающих магнитным моментом, но не для фотонов — квантов света. В перспективе открытие может найти применение в оптической спинтронике — области, в которой для передачи и обработки информации используется спин света, а не электронов, как в традиционной спинтронике.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского аучного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Physical Review B и отмечены как «выбор редакции» (Editors’ Suggestion).

Все элементарные частицы, включая электроны и фотоны (кванты света), обладают энергией и импульсом, а также характеризуются спином — собственным моментом импульса. Эти физические величины играют важную роль во взаимодействии частиц друг с другом и с окружающим веществом. Например, передавая импульс другому телу, частица может изменить характер его движения, а передавая момент импульса — вызвать его вращение. В случае света эти свойства можно описывать двумя взаимодополняющими способами, а именно рассматривая свет как поток фотонов или как электромагнитную волну (распространяющееся в пространстве электромагнитное поле).

Электромагнитное поле, подобно отдельным фотонам, способно переносить энергию, импульс и момент импульса. При этом момент импульса света включает две составляющие: орбитальную, связанную с пространственным распределением электромагнитного поля, и спиновую, связанную с его поляризацией. Именно последняя характеризует спин света и может проявляться в различных формах его динамики.

Для частиц, обладающих магнитным моментом, например электронов, хорошо известен эффект прецессии спина. Это явление, когда под действием внешнего магнитного поля направление спина изменяется, описывая коническую поверхность вокруг направления магнитного поля. Подобное движение можно наблюдать у вращающегося волчка (юлы), ось которого под действием силы тяжести описывает конус. Однако в отличие от электронов фотоны не обладают собственным магнитным моментом, и до недавнего времени оставалось неизвестно, может ли спиновый момент импульса электромагнитного поля совершать движение, аналогичное прецессии спина электрона.

Ученые из Университета ИТМО (Санкт-Петербург), Харбинского инженерного университета (Китай) и Университета Квин (Канада) показали, что спин электромагнитного поля начинает вращаться по конусообразной траектории, когда это поле «сложено» из двух световых волн с разной частотой.

«У электронов прецессия спина возникает при взаимодействии их магнитного момента с внешним магнитным полем. Фотоны не обладают собственным магнитным моментом, поэтому мы предположили, что аналогичного эффекта можно добиться, создав особую конфигурацию электромагнитного поля. Для этого мы предложили совместить две световые волны с разными поляризациями и немного различающимися частотами, распространяющиеся в перпендикулярных направлениях. Оказалось, что спин результирующего поля начинает прецессировать подобно спину электрона в магнитном поле. При этом роль эффективного магнитного поля играет сама конфигурация световых волн, а частота прецессии определяется разностью их частот»,— рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Андрей Богданов, кандидат физико-математических наук, доцент, ведущий научный сотрудник Нового физтеха Университета ИТМО.

Расчеты также показали, что характер вращения спина зависит от того, насколько сильно отличаются частоты используемых световых волн. Если частоты близки, спин вращается по траектории в виде конуса медленно и плавно. Когда частоты различаются сильно, к этому медленному вращению добавляются дополнительные быстрые колебания. Это похоже на движение юлы, которая не просто описывает конус, но еще и покачивается при вращении.

«В первую очередь наша работа имеет фундаментальное значение: мы впервые показали, что такое нетривиальное движение спина электромагнитного поля возможно. В перспективе это явление можно будет использовать при разработке принципиально нового способа передачи информации. Сейчас активно развиваются спинтронные устройства, в которых носителем информации служит спин элементарных частиц — чаще всего электронов. Мы идем в сторону развития “оптической” спинтроники, которая построена на спинах электромагнитного поля (света). Именно в этом направлении наш коллектив продолжает исследования»,— подводит итог участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Абануб Махер Семри Михаил, аспирант Нового физтеха ИТМО.