Магнитооптика для света с орбитальным моментом
Магнитооптика, изучающая воздействие магнитной среды на свет, и оптомагнетизм, предметом которого служит обратное воздействие света на магнитное состояние среды, в своей основе имеют один фундаментальный факт – наличие у фотона спиновой степени свободы (которую оптики предпочитают называть циркулярной поляризацией). При дальнейшем рассмотрении света в логике элементарных частиц неизбежно возникает вопрос: а возможны ли аналогичные явления для оптического излучения с орбитальным моментом? Этой проблеме посвещена экспериментальная работа американо-швейцарской команды исследователей [1].
Для начала, стоит пояснить, что подразумевается под орбитальным моментом света, поскольку прямая аналогия с электроном, движущимся вокруг ядра, здесь едва ли уместна. Авторы [1] говорят об “оптических вихрях”, которые в данном случае точнее было бы называть “винтами”: фаза электромагнитных колебаний в таком луче неоднородна по сечению, меняется в зависимости от азимутального угла φ (рис. 1а). В результате, если прочертить в пространстве линию равной фазы, то она будет собой представлять спираль с шагом равным длине волны (рис. 1б), т.е. в отличие от циркулярно-поляризованного света в данном случае волновой фронт принципиально отличается от плоского. В настоящее время, для обозначения таких состояний используют термин “закрученные фотоны” [2].
Рис. 1. Дихроизм для закрученных фотонах: а - схематическое изображения поперечного сечения луча: цветными стрелками показано направление вектора электрического поля, направление распространение света перпендикулярно плоскости рисунка (синий и красный цвета стрелок обозначают положительную и отрицательную закрученность, соответственно); б - изменение закрученности излучения нарушает симметрию, которую можно восстановить, инвертировав направление намагниченности в образце.
Поскольку такое излучение несет в себе угловой момент, то оно должно соответствующим образом взаимодействовать с магнитным веществом, что и было продемонстрировано авторами на образце редкоземельного феррит-граната [1], правда не в оптическом, а в терагерцовом диапазоне, покрывающим основные частоты магнонных возбуждений в этом материале. Как показал эксперимент для излучения с орбитальным моментом имеет место дихроизм: различное поглощение для света с правым и левым орбитальным моментом. Знак эффекта зависел от того, параллельным или антипараллельным было взаимное расположение волнового вектора и намагниченности, что также характерно для обычного эффекта Фарадея для света с левой и правой круговой поляризацией. Как утверждают авторы [1], величина дихроизма для закрученных фотонов даже превышает аналогичный эффект для циркулярно-поляризованного света.
А. Пятаков
1. A.A.Sirenko et al., Phys. Rev. Lett., 122, 237401 (2019).
2. Б.А.Князев, В.Г.Сербо, УФН, 188, 508 (2018).
