Вдруг я обнаружил совсем неизвестную мне область физики о которой, как мне показалось, я и не слышал. Это сингулярная оптика. И в русскоязычной Википедии такой статьи нет. И не знал я даже о существовании такого явления, как оптический вихрь. Тоже нет в русскоязычной Википедии.
Далее автоматический перевод из источника: https://iopscience.iop.org/.../10.1088/2040-8986/19/1/010401
На протяжении веков сингулярности в волновых полях вызывали интерес во многих областях физики, начиная от физики плазмы, гидродинамики и физики атмосферы и заканчивая оптикой и фотоникой [1]. В оптике потоки энергии и импульса вокруг сингулярностей в интерференционном поле могут закручиваться, образуя вихри, несущие угловой момент [2–4]. Сингулярная оптика — это раздел физики, который занимается изучением структурированного света с локализованными и протяженными сингулярностями, такими как оптические вихри в скалярных оптических полях и поляризационные сингулярности в векторных полях [2, 5, 6]. Впервые она была опубликована в 1974 г. [7] в основополагающей статье Ная и Берри «Дислокации в волновых цугах» и недавно отметила свое 40-летие.
Оптические вихри, как и их аналоги в приливных волнах, сверхтекучих жидкостях и сверхпроводниках, представляют собой интригующие явления с богатой физикой, которые предлагают интересные приложения в классической и квантовой оптике. Например, линейный и угловой момент фотонов в структурированных оптических полях можно использовать для бесконтактного оптического захвата и манипулирования микроскопическими частицами и биологическими молекулами [8, 9]. Присущая оптическим модам ортогональность с разным орбитальным угловым моментом (OAM) уникально позиционирует их для применения в поляризационном и мультиплексировании с разделением по длине волны для увеличения пропускной способности как в свободном пространстве, так и в оптоволоконной связи [10]. Дальнейшие возможности в этой области открывает бездифракционное и самовосстанавливающееся распространение оптических вихревых полей [11]. Более высокая информативность структурированных световых полей наряду с возможностями их квантовой запутанности также может сыграть ключевую роль в разработке новых протоколов обработки квантовой информации [12–14]. Сильные вариации оптических полей вокруг сингулярностей делают структурированный свет чрезвычайно чувствительным к небольшим изменениям среды и условий освещения, что может быть использовано для получения изображений со сверхвысоким разрешением [15, 16], встроенной оптической коммутации [17–19], (био ) химическое зондирование [20, 21], спектроскопия [22], сбор солнечной энергии [23, 24] и астрономические наблюдения [25].
Ключевым свойством вихря является наличие топологического заряда, который в оптическом вихре принимает форму числа намоток оптического волнового фронта вокруг ядра вихря. Поскольку этот топологический заряд является дискретным или «квантованным», он остается постоянным при небольших деформациях или дефектах физической системы; его можно изменить только глобальным изменением, таким как взаимная аннигиляция с антивихрем, другим вихрем противоположного заряда. Сохранение топологических зарядов оптических вихрей в структурированных световых полях лежит в основе многих необычных оптических явлений, в том числе существования связанных оптических состояний в континууме излучения [26] и топологических переходов оптических метаматериалов в гиперболический режим [27].
В последние годы исследователи обнаружили совсем другие и более абстрактные типы сингулярностей и топологических индексов, которые могут появляться в оптических системах, исходя из идей, берущих начало в физике топологических изоляторов [28–30]. В периодической оптической среде, такой как фотонная решетка или кристалл, электромагнитные моды образуют зонные структуры. Энергетические зоны сами могут иметь сингулярности в импульсном пространстве, такие как конусы Дирака в графене [31] и фотонные решетки [32, 33], последние тесно связаны с вихрями и угловым моментом света [34, 35]. Внутри каждой полосы оптические блоховские волновые функции образуют математическую структуру («волоконный пучок»), определяемую зоной Бриллюэна, которая обладает квантованными топологическими зарядами. Как вихрь нельзя устранить малыми деформациями, так и «топологически нетривиальную» полосу, обладающую ненулевым топологическим зарядом, нельзя гладко преобразовать в «топологически тривиальную» полосу.
Область топологической фотоники направлена на разработку устройств, имеющих топологически нетривиальные структуры фотонных зон, и использование их необычных и поразительных физических свойств. В частности, 2D-устройства могут иметь топологические краевые состояния, которые циркулируют в одном направлении вдоль их границ и невосприимчивы к обратному рассеянию от дефектов или деформации формы. Впервые это было продемонстрировано в 2009 г. с использованием магнитного фотонного кристалла, работающего на микроволновых частотах [36]. После этого топологические краевые состояния наблюдались в технологически важном диапазоне частот от инфракрасного до видимого с использованием спиральных волноводных решеток и кольцевых резонаторных решеток [37, 38]. В настоящее время активно исследуется множество других платформ, включая микроволновые схемы [39, 40] и решетки поляритонных резонаторов [41, 42].
