Новая технология «оптических торнадо» может изменить квантовую связь

Сеть торонов — самоорганизующихся дефектов в жидких кристаллах, чья внутренняя структура позволяет генерировать лазерный свет, несущий орбитальный угловой момент. Credit: Marcin Muszyński, Faculty of Physics University of Warsaw

Ученые из Варшавского университета, Военного технологического университета и Института Паскаля CNRS при Университете Клермон-Овернь создали закрученные «оптические торнадо» внутри чрезвычайно малой структуры. Это открытие указывает на новый способ создания миниатюрных источников света со сложной формой, что может упростить и масштабировать фотонные устройства для оптической связи и квантовых технологий.

«Наше решение объединяет несколько областей физики: от квантовой механики до материаловедения, оптики и физики твердого тела», — объясняет профессор Яцек Щитко с физического факультета Варшавского университета, руководитель исследовательской группы. «Вдохновением послужили системы, известные из атомной физики, где электроны могут занимать различные энергетические состояния. В фотонике аналогичную роль играют оптические ловушки, которые удерживают свет вместо электронов».

Что такое оптический вихрь?

«Это можно представить как оптический вихрь, — говорит доктор Марцин Мушиньский с физического факультета Варшавского университета и факультета физики Городского колледжа Нью-Йорка, первый автор исследования. — Световая волна закручивается вокруг своей оси, а ее фаза изменяется по спирали. Более того, даже поляризация — направление колебаний электрического поля — начинает вращаться».

Такие структурированные состояния света привлекательны для применений, таких как квантовая связь и управление микроскопическими объектами. Однако их создание обычно требовало сложных наноструктур или крупных экспериментальных установок.

Жидкие кристаллы предлагают более простой путь

Команда выбрала другую стратегию. «Вместо создания сложных систем мы использовали жидкий кристалл — материал со свойствами, промежуточными между жидкостью и твердым телом. Хотя он может течь как жидкость, его молекулы упорядочены, сохраняя фиксированную ориентацию и взаимное расположение, подобно кристаллу», — объясняет Иоанна Менджицка, студентка-нанотехнолог физического факультета Варшавского университета, которая вместе с доктором Евой Отон из Военного технологического университета подготовила образцы жидких кристаллов.

Внутри этого материала могут образовываться особые дефекты, известные как тороны. «Их можно представить как туго закрученные спирали, похожие на ДНК, вдоль которых расположены молекулы жидкого кристалла. Если замкнуть такую спираль, соединив ее концы в кольцо, напоминающее пончик, мы получим торон», — объясняет Менджицка. «Эти структуры действуют как микроскопические ловушки для света. Ключевым шагом стало создание эквивалента магнитного поля для фотонов. Хотя свет не реагирует на магнитное поле так, как электроны, аналогичного поведения для света можно достичь другими способами».

«Синтетическое магнитное поле» для света

«Пространственно-переменное двулучепреломление, то есть разница в распространении различных поляризаций света, действует как синтетическое магнитное поле, — объясняет доктор Петр Капущиньский с физического факультета Варшавского университета. — Мы называем его "синтетическим", потому что его математическое описание напоминает поведение магнитного поля, хотя физически его там нет. В результате свет начинает "изгибаться", подобно электронам, движущимся по циклотронным орбитам».

Для усиления эффекта торон был помещен внутрь оптического микрозеркала — структуры из зеркал, которая многократно отражает свет и удерживает его в течение длительного времени. «Это делает поле намного сильнее, — говорит доктор Мушиньский. — Кроме того, мы можем контролировать размер ловушки и, следовательно, свойства света с помощью внешнего электрического напряжения».

Стабильные световые вихри в основном состоянии

Далее последовал самый впечатляющий результат.

«В типичных системах свет, несущий орбитальный угловой момент, появляется в возбужденных состояниях, — объясняет профессор Гийом Мальпюш из Университета Клермон-Овернь и CNRS, который вместе с профессором Дмитрием Солнышковым и постдоком Даниилом Бобылевым разработал теоретическую модель явления. — Впервые нам удалось получить этот эффект в основном состоянии, то есть в состоянии с наименьшей энергией. Это важно, потому что основное состояние является наиболее стабильным, и в нем легче всего накапливается энергия».

«Это значительно упрощает достижение лазерной генерации, — подчеркивает профессор Щитко. — Свет естественным образом "выбирает" это состояние, поскольку оно связано с наименьшими потерями».

Чтобы подтвердить это, исследователи ввели в систему лазерный краситель. «Мы получили свет, который не только вращается, но и ведет себя как лазерный: он когерентен и имеет четко определенную энергию и направление излучения», — говорит доктор Марцин Мушиньский.

На пути к более простым фотонным и квантовым технологиям

«Интересно, что наш подход черпает вдохновение из очень продвинутых теорий, включающих так называемый векторный заряд, — добавляет профессор Дмитрий Солнышков. — Так что в некотором смысле нам удалось заставить фотоны вести себя не как электроны, а как кварки — заряженные частицы, из которых состоят протоны».

«Это открытие открывает новый путь к созданию миниатюрных источников света со сложной структурой. Оно показывает, что вместо сложных нанотехнологий мы можем использовать самоорганизующиеся материалы, — заключает профессор Виктор Печек из Военного технологического университета. — В будущем это может позволить создавать более простые и масштабируемые фотонные устройства, например, для оптической связи или квантовых технологий».

Источники:

Материалы предоставлены Варшавским университетом, физический факультет.

Marcin Muszyński, Daniil Bobylev, Piotr Kapuściński, Przemysław Oliwa, Joanna Mędrzycka, Eva Oton, Rafał Mazur, Przemysław Morawiak, Wiktor Piecek, Przemysław Kula, Dmitry Solnyshkov, Guillaume Malpuech, Jacek Szczytko. Ground-state orbital angular momentum lasing from liquid crystal torons embedded in a microcavity. Science Advances, 2026; 12 (11) DOI: 10.1126/sciadv.aeb6167