Физикам впервые удалось создать хиральный свет с произвольным угловым моментом при помощи метаповерхности. Ученые показали, что построенная система позволяет создавать свет с рекордно высоким угловым моментом. Работа опубликована в журнале Nature Photonics.

Хиральность — термин, который используют для систем, в которых отсутствует зеркальная симметрия. Часто его применяют в химии для характеристики соединений. Например, химические соединения ароматов лимона и апельсина отличаются только хиральностью, то есть они идентичные с точностью до зеркального отображения.

Физические объекты, такие как свет, тоже обладают хиральностью. В общем случае хиральный свет несет спиновый и орбитальный угловые моменты. Теоретически, эти угловые моменты можно контролировать, что ведет к созданию структурированного света, однако на практике контроль хиральности — сложная, но весьма актуальная задача. Структурированный свет можно использовать для оптического контроля молекул, метрологии и коммуникации.

Группа физиков под руководством профессора Эндрю Форбса (Andrew Forbes) из Университета Витватерсранда создала источник хирального света с очень высоким угловым моментом. Для этого ученые разработали и изготовили метаповерхности, которые представляют собой диэлектрическую среду из оксида титана, нанесенную на подложку из плавленого кремнезема. Такая метаповерхность создает различные азимутальные фазовые задержки для разных компонентов поляризации поля, что ведет к «закручиванию» света.

Фотография метаповерхности, состоящая из врезов оксида титана в кремний. / Hend Sroor, et al. / Nature Photonics, 2020

Фотография метаповерхности, состоящая из врезов оксида титана в кремний. / Hend Sroor, et al. / Nature Photonics, 2020

Источник хирального света состоял из лазера, который преобразовывал инфракрасную основную частоту Nd:YAG в видимый зеленый свет с помощью нелинейного кристалла, и метаповерхности, на которую падал зеленый свет. В результате ученым удалось создать свет с рекордно высоким орбитальным угловым моментом, который не удавалось достичь ранее.

Схематичный рисунок экспериментальной установки. / Hend Sroor, et al. / Nature Photonics, 2020

Представленный подход для создания хирального света подходит для многих лазерных архитектур, например, построенная система может быть уменьшена до размеров чипа. Поскольку свет может нести большой угловой момент, это означает, что он может быть передан материи. Таким образом, наносистема на основе метаповерхности может служить микроскопическим оптическим гаечным ключом.