Как скрутить свет в узел

The core magnetic-field line of a trefoil knot of light is shown in orange in this plot. It is enclosed in a torus (purple) that is covered in magnetic-field lines shown in blue. The inset shows the cross-section of the knot revealing its trefoil shape. (Courtesy: Hridesh Kedia et al. Phys. Rev. Lett. 111 150404)

Международная научная группа получила новые и весьма необычные решения уравнения Максвелла, считая к тому же, что они реализуемы на практике. Но ведь такое даже представить сложно...

Американские, польские и испанские учёные во главе с Хридешем Кедиа (Hridesh Kedia) из Чикагского университета (США) обнаружили совершенно новое семейство решений уравнений Максвелла, позволяющее создавать торические узлы (узлы на поверхности тора) из световых пучков.

Линия силового магнитного поля узла-трилистника для света показана оранжевым. Соответствующий этому узлу тор выделен пурпурным, линии магнитного поля на его поверхности — синим. (Здесь и ниже иллюстрации Hridesh Kedia et al.)

Более того, одно из представленных решений включает линии магнитного поля с узлом-трилистником вокруг тора, ориентированного перпендикулярно направлению распространения света (см. иллюстрацию). По мере перемещения света такой узел будет искажаться, но при этом всё время сохранять топологические особенности узла-трилистника. Линии электрического поля имеют ту же структуру, что и линии такого магнитного поля, но сдвинуты относительно оси распространения на угол, который зависит от параметров самого узла.

Другие решения уравнений Максвелла дают линии поля, описывающие соединённые между собой кольца и даже пятиконечный узел (он же узел Соломоновой печати):

Исследователи полагают, что такие узлы для света можно реализовать в лаборатории при помощи лагерровых мод гауссовых пучков — ранее уже создавшихся при изучении возможностей переноса орбитального углового момента.

Неужели свет может принимать форму торических узлов?

Если это предположение верно, такие узлы могут получить ряд научных приложений. Физики уже исследовали теоретические возможности использования лагерровых мод гауссовых пучков для создания ловушек для ультрахолодных атомов, и разработка столь необычных форм световых узлов способна открыть в этой области новые возможности.

В принципе, «выстреливая» такими узлами в плазму или квантовую жидкость, можно также добиться создания узлоподобных образований в этих видах материи.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review Letters, а его препринт можно полистать здесь.