Долгое время физики полагали, что электромагнитное излучение распространяется только по прямой. Однако в 2007 году эксперимент подтвердил существование луча, который изгибается по мере распространения. Он был назван лучом Эйри и долгое время считался исключительным примером криволинейного луча. Недавно ученые Университета ИТМО совместно с коллегами из Томского государственного университета, Университета центральной Флориды,  Университета Бен-Гуриона и Университета Бангора обнаружили новый вид искривленных световых пучков – фотонный крюк.

«Фотонный крюк возникает, если направить плоскую световую волну на диэлектрическую частицу несимметричной формы, – рассказывает Александр Шалин, руководитель Международной лаборатории «Нанооптомеханика» Университета ИТМО. – В частности, мы исследовали частицу под названием кубоид. Она выглядит как куб с призмой, расположенной с одной из сторон. Из-за такой формы в частице неравномерно изменяется время полной фазы колебаний оптической волны. В итоге на выходе из частицы получается искривленный световой пучок».

Ученые показали, что кривизна такого пучка может быть существенно меньше длины волны. Кроме того, искривление можно регулировать, меняя длину волны, поляризацию падающего света, а также геометрические параметры призмы и куба. Это свойство можно использовать для перенаправления оптического сигнала, преодоления дифракционного предела в оптических системах или для перемещения отдельных частиц на малых масштабах.

«Идею фотонного крюка предложили наши коллеги из Томского государственного университета. Когда мы провели ряд расчетов и описали это явление, сразу же решили проверить, можно ли использовать фотонный крюк для оптомеханики, – говорит Сергей Сухов, ученый-исследователь из Университета центральной Флориды. – Оказалось, с помощью фотонного крюка можно сделать манипулятор для перемещения частиц по искривленной траектории вокруг прозрачных препятствий. Это возможно за счет радиационного давления и градиентной оптической силы. Когда частица попадает в область наибольшей интенсивности пучка, градиентная сила удерживает ее, а радиационное давление толкает вдоль искривленной траектории распространения потока энергии».

Такой способ управления движением частиц перспективен для управления микропотоками нано- и микрочастиц в жидкости с помощью света. За счет этого можно делать микрореакторы на чипах и исследовать, например, вирусы, бактерии, отдельные клетки или даже молекулы ДНК.

«Сейчас мы собираемся сделать эксперимент по перемещению бактерий по искривленной траектории при помощи фотонного крюка, – продолжает Александр. – Сначала нужно получить сам крючок и проверить, как на него будет влиять, например, подложка, на которой мы располагаем кубоид. Затем мы сделаем прототип микрореактора и посмотрим, как будет двигаться частица».

Теоретическая база для предстоящих экспериментов включает две статьи, которые уже привлекли внимание научного сообщества.

«Опорная статья описывала сам фотонный крюк, а за ней следовала статья с описанием его оптомеханического приложения, – комментирует Сергей. – Еще до публикации первой работы, MIT включил ее в свой еженедельный обзор самых интересных препринтов на сайте arXiv. Но она также вызвала много вопросов у рецензентов. Когда она, наконец, была опубликована, сразу же вошла в топ скачиваний с сайта Optics Letters. К этому времени уже была принята в печать вторая статья про оптомеханику. Мы надеемся, что результаты наших экспериментов вызовут еще больший интерес».

Статьи:
Photonic hook: a new curved light beam. Liyang Yue et al. Optics Letters, Feb. 9, 2018;   
‘Photonic Hook’ based optomechanical nanoparticle manipulator. Angeleene Ang et al. Scientific Reports, Feb. 1, 2018.