Фізики виявили незвичайну властивість світла, яка змінює уявлення про його поведінку
Дослідники з Університету Східної Англії у Великій Британії спільно з науковцями з Південної Африки виявили незвичайну властивість світла. Виявилося, що правильно сформований світловий промінь може набувати ділянок з обертальними властивостями під час поширення у вільному просторі. Для цього не потрібно пропускати його крізь спеціально розроблені матеріали, дзеркала чи складні оптичні системи. Про це пише Sciencedaily.
Результати дослідження опублікували 13 жовтня 2026 року. Відкриття демонструє, що поведінку світла можна контролювати не лише за допомогою зовнішніх оптичних компонентів, а й через внутрішню геометрію самого променя.
Наша робота показує, що світло може природним чином розвивати таку властивість, пов'язану з напрямком обертання. Потрібно лише правильно його підготувати,– пояснив доктор Кейн Форбс зі Школи хімії, фармації та фармакології Університету Східної Англії.
На перший погляд може здаватися, що світло просто рухається прямолінійно. Однак фізики вміють створювати структуроване світло, у якому заздалегідь визначають розподіл яскравості, форму хвиль і напрямок їхніх коливань.
Одним із прикладів є оптичний вихор – світлова хвиля, яка закручується навколо напрямку поширення, нагадуючи штопор. Кожен такий виток може нести інформацію, що робить подібні структури перспективними для високошвидкісного передавання даних, захищеного зв'язку та оптичних сенсорів.
Нове дослідження показує, що правильно сформована структура світла може також визначати, де під час руху виникатимуть ділянки з різними напрямками обертання.
Одним із ключових понять у дослідженні стала хіральність. Так називають властивість об'єкта, який неможливо сумістити з його дзеркальним відображенням за допомогою звичайного повороту.
Найпростіший приклад – людські руки. Ліва та права руки є дзеркальними відображеннями одна одної, але їх неможливо повністю сумістити в просторі. Подібна властивість притаманна багатьом молекулам, зокрема тим, які використовують у фармацевтиці.
Дві версії однієї молекули можуть мати майже однаковий хімічний склад, але по-різному взаємодіяти з організмом. Тому визначення хіральності має важливе значення для розроблення ліків, дослідження біологічних процесів і перевірки безпеки фармацевтичних препаратів.
Світло також може мати ліво- або правобічні обертальні характеристики. Зокрема, його поляризація описує напрямок коливань електричного поля, а певні поляризаційні структури пов'язані з обертальними властивостями світлової хвилі.
Раніше для створення та контролю таких характеристик часто використовували спеціальні матеріали, ретельно спроєктовані поверхні або оптичні системи, які сильно фокусують промінь. Взаємодії, що лежать в основі нового ефекту, вважалися надто слабкими для простого виявлення без спеціальних експериментальних умов.
Однак команда дослідників продемонструвала, що за певної конфігурації променя подібна поведінка може виникати самостійно під час його поширення.
Ключовий експеримент провів магістрант Лайт Мхумбуза. Він досліджував промінь, який на початку не мав сумарного обертання відповідного типу, але під час поширення в ньому почали формуватися окремі ділянки з обертальними властивостями.
«Спочатку він узагалі не має обертання. Але в міру просування вперед з'являються ділянки, що обертаються, і відокремлюються одна від одної – ніби обертання було приховане, а потім проявилося», – пояснив Мхумбуза.
Важливо, що дослідники не створювали цей ефект за допомогою додаткового оптичного пристрою. Натомість вони показали, як початкова внутрішня структура світлового променя впливає на появу обертальних ділянок у процесі руху.
Щоб пояснити механізм, науковці звернулися до топології – розділу математики, який вивчає властивості об'єктів, що залишаються незмінними під час безперервного розтягування або деформування. Доктор Айзек Нейп з Університету Вітватерсранда в Йоганнесбурзі запропонував зрозумілу аналогію.
«Уявіть чашку та пончик. Один предмет можна перетворити на інший без розривання, оскільки обидва мають по одному отвору. Цей отвір і є топологічною властивістю», – пояснив науковець.
У структурованому світлі також існують топологічні характеристики, закодовані в розподілі поляризації. Їх можна порівняти з математичним відбитком, який визначає, як окремі ділянки променя змінюватимуться під час поширення.
Саме ця геометрична структура впливає на те, де виникатимуть лівобічні та правобічні обертальні ділянки. Якщо змінити початкову конфігурацію променя, можна керувати проявом цих властивостей.
«Це дає нам абсолютно новий параметр для налаштування світла. Змінюючи його топологію, ми можемо визначати, як і де виникатиме хіральність», – зазначив Нейп.
Новий спосіб керування світлом потенційно дасть змогу спростити деякі оптичні технології, зробити їх чутливішими та зменшити вартість обладнання. Водночас більшість практичних застосувань ще потребує подальших досліджень і розроблення.
Один із перспективних напрямків – медична діагностика та фармацевтика. Оскільки багато біологічно важливих молекул існують у ліво- та правобічних формах, структуроване світло може допомогти точніше розрізняти їх. У майбутньому це може бути корисним під час перевірки безпеки ліків, аналізу хімічних сполук і виявлення біологічних маркерів захворювань.
Ще один напрямок – створення компактніших оптичних сенсорів. Такі пристрої потенційно зможуть виявляти певні хімічні речовини або біологічні сполуки без використання великого та дорогого лабораторного обладнання.
Перспективи є й у сфері передавання даних. Якщо кодувати інформацію в різних просторових, обертальних і поляризаційних структурах світла, можна буде передавати більше даних за допомогою одного променя. Це може сприяти розвитку високошвидкісних оптичних мереж і майбутніх квантових комунікацій.
Дослідники також розглядають можливість використання таких принципів для керування мікроскопічними частинками, клітинами та молекулами за допомогою світла. Окремий напрямок пов'язаний із квантовими технологіями. Топологічні властивості в певних системах можуть допомагати захищати квантову інформацію від деяких видів шуму та перешкод. Проте саме відкриття ще не означає, що вже створено готову систему квантового зв'язку або пристрій для медичної діагностики.
«Це дослідження може прокласти шлях до нового покоління світлових технологій, показавши, що поведінкою світла можна керувати за допомогою його власної внутрішньої геометрії», – наголосив Форбс.
- Останні
- Популярні
Новини по днях
13 жовтня 2026
