Группа исследователей из Томского государственного университета (Олег Богданов, Петр Казинский, Владислав Рякин) и Томского политехнического университета (Сергей Брагин) разработала теорию, описывающую рождение «закрученных» фотонов в многочастотных ондуляторах. Работа опубликована в журнале Radiation Physics and Chemistry (Q1).
Что такое «закрученный» фотон?
Обычно электромагнитное излучение описывается плоскими волнами: поверхности постоянной фазы — плоскости. У «закрученных» (вихревых) волн волновой фронт напоминает винтовую лестницу или штопор. Такие фотоны несут информацию не только об энергии и поляризации, но и о проекции момента импульса — о своей «закрученности».
Как обычно создают такой свет?
Через фазовые пластинки, метаповерхности или дифракционные решётки. Недостатки:
- Низкая яркость.
- Узкий диапазон длин волн.
Ондуляторное излучение свободно от этих ограничений: оно яркое и широкодиапазонное.
От Гинзбурга — к «вальсу электронов»
В середине XX века Виталий Гинзбург разработал теорию излучения релятивистских частиц в периодических структурах. Если пустить электрон через магнитное поле, чередующееся «север—юг—север», частица вибрирует и испускает электромагнитные волны. Это основа работы одночастотных ондуляторов — они дают «чистую ноту».
Томские физики пошли дальше: вместо одного набора магнитов они берут M наборов с разными периодами (многочастотный ондулятор). Электрон пролетает через «симфонию» магнитных полей и начинает двигаться по сложной траектории — он не просто дрожит, а «танцует вальс», где каждый шаг подчиняется своей мелодии.
Что рождается в итоге?
Рождается фотон, но не в одном чистом состоянии, а в квантовой суперпозиции множества «закрученных» мод. Это как если бы оркестр сыграл не одну ноту, а сложный аккорд, где каждая нота имеет свою громкость (амплитуду) и фазу.
Математическая гармония
Физики вывели строгие правила:
- Энергия фотона определяется комбинацией частот всех секций ондулятора.
- Если соотношения между частотами рациональны (выражаются простыми дробями), спектр становится эквидистантным — набором стройных гармоник.
«Правила отбора» для проекции момента импульса оказались связаны с тем, сколько виртуальных фотонов электрон обменял с каждой гармоникой магнитного поля. Интерпретация: электрон поглощает из поля ондулятора (или отдаёт ему) наборы виртуальных квантов, а затем испускает один реальный фотон, в котором «запоминается» вся комбинация обменов.
Для описания использовали коэффициенты Безу из теории чисел. «Когда мы вывели итоговые формулы, я несколько дней ходил под впечатлением. Выяснилось, что вся физика этого процесса завязана на чистую теорию чисел», — комментирует Владислав Рякин.
Почему это важно?
1. Управляемость
Параметрами суперпозиции (какие именно «закрученные» состояния войдут в фотон и как они соотносятся по фазе) можно управлять, меняя параметры ондулятора — силу полей, периоды, начальные фазы.
«Мы получили способ управления квантовым состоянием фотона. Оказалось, что природа позволяет настраивать момент импульса электромагнитного поля так же легко, как его частоту», — объясняет Олег Богданов.
2. Фундаментальная наука
Такие состояния света нужны для изучения тончайших интерференционных эффектов в квантовой электродинамике. Сложный «аккордный» свет может возбудить в атомах и ядрах когерентные суперпозиции состояний, недоступные при облучении плоской волной.
3. Технологии
- Высокоплотная передача информации (увеличение дальности и надёжности связи).
- Сверхточные оптические пинцеты (вращение микрочастиц).
- Оптическая метрология с невероятной точностью.
Вывод: томские физики построили элегантный мост между классической теорией ондуляторов и квантовой оптикой. Они показали, как магнитная решётка ондулятора может генерировать не просто яркий свет, а сложные квантовые состояния, несущие в себе математическую гармонию чисел. И этот «вальс» электронов будет звучать во многих будущих экспериментах.