Моделирование некоторых малоизвестных решений уравнений Максвелла показало, что пучки света могут быть соединены и «завязаны в узлы» различной конфигурации.

Традиционно полагают, что световые пучки распространяются строго по прямым линиям. Известные исключения – искривление пучков под влиянием сил тяготения. Однако ученых интересует возможность существенного искривления пучков излучения с целью придания им формы петли или даже узла. Возможность такой структуризации световых пучков лежит в весьма замысловатых решениях уравнений Максвелла, которые описывают основы электромагнетизма.

Физики Уильям Ирвайн (William Irvine) из Университета Нью-Йорка (New York University) и Дирк Боувмеестер (Dirk Bouwmeester) из Университета Калифорнии, Santa Barbara и Лейденского университета в Голландии (Leiden University in The Netherlands) опубликовали результаты исследований возможности создания переплетенных пучков света, где определили, что это может быть получено экспериментальным путем при использовании пучков лазерного излучения с круговой поляризацией. Работа опубликована в журнале Nature Physics, Vol. 4, September 2008, pp. 716–720 (Irvine, William T. M. and Bouwmeester, Dirk. “Linked and knotted beams of light.”)

В некоторых не очень широко известных решениях уравнений Максвелла все линии электрического и магнитного полей формируют кольцевые линии, которые соединены друг с другом. Такие петли линий поля могут быть использованы для формирования тороидальных фигур. В таком необычном сценарии каждая из петель оборачивается вокруг тороидальной поверхности только однажды и никакие две петли не пересекают друг друга. Затем маленькие торы могут быть помещены внутрь торов большего размера, наполняя трехмерное пространство петлями из световых пучков.

Такие решения отличаются от всех известных форм света благодаря необычной узловой структуры пучков. Авторы базировали свои вычисления на математическом аппарате, выведенном в 1931 году математиком Хопфом (Hopf) для расчета структуры сфер в пространствах из четырех и пяти измерений.

Исследуя свойства света узловой формы, физики определили, что они могут использовать лазерное излучение для создания таких конфигураций. В частности, они предполагают, что используя моноимпульсный лазерный пучок с круговой поляризацией и узко фокусируя его, возможно создание различных видов петлеобразных пучков света. Используя голографическую технику и пространственную модуляцию пучка излучения можно будет контролировать профиль и форму света петлевой конфигурации. Эти самые методы были недавно использованы для получения пучков Эри, которые представляют собой нерасходящиеся пучки света.

В настоящее время группа готовит экспериментальную реализацию поученного теоретического решения. Физики предполагают использовать либо световой луч, либо излучение в микроволновом диапазоне длин волн. Основная проблема, которую ожидают экспериментаторы, будет заключаться в управлении сверхкороткими импульсами излучения с целью получения широкого спектра частот, необходимого для подтверждения теории и получения пучков в форме узла.

Ученые преполагают, что пучки света со столь необычной формой могут иметь множество применений, благодаря ряду необычных свойств. Области применения необычных пучков могут включать лазерно-плазменные приложения, захват атомов, управление группами холодных атомов, получение солитоно-подобных решений в нелинейной оптике.

Евгений Биргер