Свет ускоряется в спираль: Почему он так похож на галактики и ракушки?

Свет научился вращаться с ускорением. Исследователи из Гарвардского университета и Технологического университета Эйндховена ввели понятие «ротатум света» — новый класс структурированных световых пучков, чей орбитальный угловой момент (ОУМ) меняется не линейно, а по квадратичному закону. Это означает, что «закрутка» луча не просто увеличивается или замедляется, а делает это со всё возрастающей скоростью, подобно тому, как водитель не просто держит педаль газа, а вдавливает её в пол всё сильнее.

От само-момента к ротатуму: эволюция вихрей

Ранее физики уже умели создавать световые вихри с плавно меняющимся ОУМ — так называемый «пространственный само-момент». Однако новая работа переводит контроль над светом на принципиально иной уровень. Вместо постоянной скорости изменения вращения, команда добилась его ускорения. Ключевой инструмент — пространственные модуляторы света (SLM), которые формируют на старте сложную структуру волны, заставляя разные точки по периметру вихря двигаться с разной пространственной частотой. Это приводит к тому, что по мере распространения луча его фазовая структура непрерывно перекручивается по нелинейному закону.

Логарифмическая спираль в сердце луча

Наблюдение за ротатумом выявило неожиданный визуальный эффект. На периферии пучка, где интенсивность падает, возникают цепочки фазовых сингулярностей. Эти микроскопические особенности выстраиваются вдоль линий, напоминающих логарифмическую спираль — ту же геометрию, что встречается в раковинах наутилуса или спиральных рукавах галактик. Кривизна этой световой спирали напрямую зависит от того, как быстро меняется ОУМ, что делает её наглядной демонстрацией новых свойств света.

Фундаментально это открытие расширяет представления о поведении электромагнитных волн. Ротатум демонстрирует, что свет способен на гораздо более сложные «танцы», чем считалось ранее. С практической точки зрения, появление новой степени свободы у светового луча открывает путь к созданию сверхточных оптических пинцетов для трёхмерной сортировки микрочастиц, а также к новым методам кодирования информации в системах связи и сенсорики, где информация теперь может быть «записана» в ускорении вращения луча.