закрученный свет

Дверной замок с двумя разными ключами: один проворачивается легко, другой требует заметного усилия. Так ведут себя два слоя гексагонального нитрида бора, когда их поворачивают друг относительно друга. Этот материал состоит из атомов бора и азота, уложенных в шестиугольную сетку, и его слои могут лежать в разных положениях, как две одинаковые решётки, сдвинутые на разный угол.

Зеркало мчится со скоростью почти сорок тысяч километров в секунду — это около одной восьмой скорости света. Свет, упавший на него, отскакивает обратно, но уже другим: его частота увеличивается, как мяч, отбитый ракеткой на лету, приобретает дополнительную энергию. Именно такое зеркало учёные построили внутри тончайшей стеклянной нити, заполненной водородом.

Обычный лазерный луч распространяется прямолинейно, подобно свету фонарика. Однако свет можно закрутить в спираль, напоминающую нить штопора. Такой луч несёт орбитальный угловой момент (ОУМ) — свойство, при котором свет не просто освещает, но и вращает всё, что встречает на пути. Физики направили этот закрученный свет в плазму, чтобы разогнать электроны.

Луч света обычно распространяется по прямой, но его можно заставить вращаться вокруг оси — подобно воде, закручивающейся в воронку при сливе. Такой «вихревой» свет, несущий орбитальный угловой момент, способен передавать больше информации и востребован для сверхбыстрой связи и квантовых вычислений.

В кольцевом ускорителе пучок электронов мчится по замкнутой траектории миллионы раз. Если электроны закручены, как нити в верёвке, их вихревое движение — орбитальный угловой момент — должно сохраняться. Но на пути пучка встречаются случайные толчки от несовершенных магнитов, которые могут разрушить эту структуру.

Лазерный луч можно представить как стремительный вихрь, который на мгновение захватывает пролетающий электрон. Пока частица движется сквозь импульс, её спин — собственное вращение, подобное вращению крошечного волчка, — испытывает слабый толчок. После выхода из луча волчок уже не смотрит в прежнюю сторону: он чуть-чуть довернулся.

Электрон — не просто точечная частица. Это облако вероятности, размазанное в пространстве. Когда такое облако сталкивается с мощным лазерным импульсом, оно может испустить фотон высокой энергии — гамма-квант. И этот фотон бывает не обычным, а закрученным, словно штопор, несущим орбитальный угловой момент.

Представьте сильно перекрученный телефонный шнур: в какой-то момент он лопается, разбрасывая искры. Похожим образом ведут себя магнитные поля на Солнце — они скручиваются, разрываются и пересоединяются, высвобождая энергию, которая питает солнечные вспышки. Астрономам впервые удалось наблюдать этот процесс напрямую.

В 460 световых годах от нас, вокруг звезды HD 135344B, кружит плотный газопылевой диск. Он похож на гигантскую грампластинку, которую кто-то надломил: в диске зияет разрыв, а через него, словно тонкий мост, тянется пылевая нить. Рядом с этой нитью в рассеянном свете заметна закрутка — изгиб спирального рукава, будто его на мгновение придержали, а потом отпустили.

Два тончайших листа, каждый — всего в один атом толщиной, кладут друг на друга и слегка поворачивают. Как два листа цветной кальки: пока они лежат ровно, картинка одна, а стоит повернуть — появляется муаровый узор. Здесь, правда, узор не виден глазу, зато он полностью меняет то, как материал обращается со светом.

Луч фонарика скользит по неровному стеклу. Стекло — это массивные скопления галактик, а фонарик — древний свет, рождённый вскоре после Большого взрыва. Проходя мимо таких скоплений, свет не просто огибает их, как вода камень. Его траектория слегка смещается вбок, и величина сдвига зависит от того, как свет «закручен» — вправо или влево.

Свет, как верёвка, которую встряхнули, колеблется в определённой плоскости. Астрономы и инженеры часто поворачивают картинку с помощью системы из трёх зеркал — так называемого K-зеркала, — но при этом плоскость колебаний света невольно поворачивается тоже. Для точных измерений это беда.

Маленький шарик с железной начинкой лежит на поверхности, а вокруг него крутится магнитное поле. Шарик начинает катиться, как колесо, и обычно едет туда, куда вращается поле. Но иногда он вдруг разворачивается и катится в обратную сторону — против поля.

Свет обычно толкает атом прямо по курсу, как ветер — парус. Но если луч закрутить штопором, картина меняется: атом может отлететь вбок, словно его зацепили вращающимся колесом. В новой работе физики рассчитали, что такой вихревой фотон способен передать атому своё вращение почти целиком — до 100 процентов.

Стопка бумаги: если листы лежат ровно один на другом, свет сквозь них проходит одинаково. Но стоит повернуть один лист на несколько градусов, и картина меняется. Примерно так же ведут себя слои в некоторых материалах: повернёшь их друг относительно друга — и свойства меняются, иногда радикально. Спектроскопия тут ни при чём — точнее, это не тот метод.

Два листа графена — углеродной плёнки толщиной в один атом — без поворота напоминают забитую мелями гавань: ионы лития либо садятся на мель, либо проносятся мимо без задержки. Но поворот одного слоя относительно другого на 9,43° прокладывает идеальный фарватер. Корабли-ионы надёжно швартуются к углеродным «пирсам» и тут же отчаливают, не сбавляя хода.

Кристалл висмут-селен (Bi₂Se₃) сам по себе симметричен, как аккуратно сложенный бутерброд: переверни — и ничего не изменится. Но стоит слегка повернуть один слой относительно другого — и симметрия ломается. Материал начинает «чувствовать», с какой стороны падает свет, и отзывается электрическим током.

В скрученных под определённым углом слоях теллурида молибдена электроны ведут себя необычно: они могут делиться на части. Это похоже на то, как если бы целый пирог вдруг начали резать на строго одинаковые дольки, хотя нож в руках один. В обычных материалах заряд электрона неделим, но в этих слоях при сильном охлаждении появляются состояния, где заряд дробится на три части.

Футбольный мяч, закрученный ударом, летит не по прямой, а сгибает траекторию вбок. Примерно так же ведёт себя луч света, если его сильно сфокусировать: он начинает толкать атом не только вперёд, но и в сторону. Физики измерили этот сдвиг на одиночном ионе кальция, пойманном в световую ловушку. Луч направляли на атом, как прожектор на песчинку.

Обычная волна в магните похожа на рябь на воде: чем короче шаг волны, тем выше её энергия. Физики называют такие волны магнонами. Но в тонкой плёнке из висмут-иттриевого граната удалось создать волны с обратным поведением: их энергия падает с уменьшением длины волны. Это антимагноны. Плёнку поместили в установку, где свет рассеивается на волнах намагниченности.

Свет не всегда летит по прямой. Его волну можно закрутить в спираль, как струйку воды, вытекающую из шланга, который быстро вращают. Такая закрутка называется орбитальным угловым моментом, и в ней можно прятать информацию: каждый виток — как отдельный канал связи. Беда в том, что распознавать эти витки умели только громоздкие установки из линз и зеркал.

Бросьте горсть камешков вдоль тесного ряда столбиков: они рикошетом разлетятся плотным веером. Бросьте под углом — и они рассеются. Гамма-лучи в кристалле ведут себя сходным образом: они порождают каскады вторичных частиц, которые расползаются в стороны, если атомные ряды кристалла не выстроены идеально. Но стоит совместить их с точностью до толщины волоса — и каскад стягивается в узкий направленный пучок.

Тёмная материя — невидимый океан, который, как показали наблюдения Веры Рубин за скоростями звёзд на окраинах галактик, удерживает их от разлёта: гравитационное притяжение этого океана компенсирует центробежную силу.

В обычном ферромагнетике спины электронов — их внутренние «магнитные стрелки», существование которых постулировал Вольфганг Паули, — ориентированы в одном направлении.