Физики отсортировали закрученные фотоны

Ученые нашли способ разделить закрученные электромагнитные волны с различными параметрами. Это необычное состояние света можно применить для того, чтобы улучшить техники микроскопии, обеспечения передачи квантовой информации и прецизионного измерения физических величин. Статья с результатами опубликована в журнале Physical Review Letters.

Обычная плоская волна, в которой поверхности одинаковой фазы плоские, характеризуется такими величинами, как частота, скорость и поляризация. Однако некоторые волны, в том числе свет, могут быть намного более сложной формы. В частности, волновой фронт может быть в виде спирали — в таком случае свет называют закрученным, он дополнительно описывается орбитальным угловым моментом. Эту квантовую характеристику можно представить в виде суммы двух компонент: азимутальной и радиальной. Первая описывает саму степень скрученности, а вторая — распределение амплитуды и фазы волны в плоскости, перпендикулярной направлению движения волны.

Различия в этих параметрах можно использовать для того, чтобы сортировать фотоны. В предыдущих исследованиях кванты света уже разделяли согласно азимутальной компоненте. В новой работе аналогичный процесс был реализован и для радиальной. По словам авторов статьи из Рочестерского университета в США, теперь можно записывать и считывать информацию с использованием всех пространственных степеней свободы фотонов.

Описанный способ опирается на небольшие различия в фазовой скорости (скорости точки, обладающей постоянной фазой) у фотонов с разными квантовыми числами. Используя набор линз и волновых пластинок, физики создали оптическую установку, на выходе из которой у фотонов разных радиальных мод набегали различные дополнительные фазы. После этого частицы направлялись в интерферометр, который разделял волны различных фаз, а затем — на ПЗС-матрицу, строившую изображения различных волновых фронтов.