Ученые из Московского физико-технического института совместно с коллегами Санкт-Петербургского Университета ИТМО и ряда других российских и зарубежных исследовательских организаций опубликовали в журнале Laser & Photonics Reviews фундаментальную научную работу, в которой экспериментально продемонстрировали реальную возможность такой конфигурации токов, которая раньше считалась гипотетической и нефизичной.
Эту конфигурацию можно представить в виде антенны из колец (меридиан) с током, сложенным в форме тора (бублика). Электрические токи в нем циркулируют вдоль колец — то есть как бы обхватывают «тело» поперек, а магнитное поле осциллирует (вращается) внутри тора. Этот эффект называется тороидальным моментом.
Создание тороидального момента. Источник: Laser & Photonics Reviews
Такую структуру токов называют тороидальным диполем. Интерес к ней вызван тем, что можно добиться многих невероятных эффектов, если научиться управлять ей.
«На протяжении долгого времени существовали споры о том, независимы ли тороидальные моменты или это просто математическое понятие. Подводя итог этим дискуссиям, мы впервые создали антенну в виде чистого тороидального диполя без примеси каких-либо других свойств и паразитных излучений. Мы провели эксперименты и обнаружили, что тороидальные моменты действительно независимы и имеют важное физическое значение», — рассказал руководитель исследования, ведущий научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических структур МФТИ Александр Шалин.
По его словам, для реализации эксперимента была сконструирована специальная конструкция. Она включала восемь петель из медной проволоки толщиной 1 мм, расположенных в тороидальной форме. К каждой петле подавался ток через порты, расположенные в основании.
Петли имели одинаковый ток и фазу, за счет чего образовывали полоидальное (вдоль меридианов тора) распределение тока. Это обеспечило равномерное распределение магнитного поля вдоль «тела» тора. При этом независимое возбуждение каждой петли помогало предотвратить появление паразитных полей.
Антенна для создания тороидального излучения. Источник: Laser & Photonics Reviews
Ученые также с помощью внешних полей проверили возможности управления интенсивностью тороидального излучения.
В результате в ходе научной работы была впервые экспериментально подтверждена реальная возможность чистого (в котором подавлены остальные мультиполя) и широкополосного (то есть в широком диапазоне частот) тороидального источника излучения.
По словам Алексея Шалина, практическая область применения таких элементов довольно широка. Например, их можно использовать для управления фазой, направлением и амплитудой пучка света — то есть формировать лазерные лучи заданной интенсивности.
В той же научной работы ученые показали, что в тороидальном источнике в результате взаимного подавления электрических полей возможно возникновение так называемого «тороидального анаполя» —источника, который не излучает. Такие структуры будут выглядеть как прозрачные.
Как объяснил ученый, при сочетании этих эффектов — излучающих и неизлучающих в широком диапазоне частот тороидальных источников — и при умелом управлении ими можно будет, например, добиться создания «живых» голограмм.
Таким образом может быть реализована одна из концепций телекоммуникационных устройств будущего.
