Явление переходного излучения — электромагнитных волн, возникающих при пересечении заряженной частицей границы двух сред, — было теоретически предсказано еще в середине XX века Виталием Гинзбургом и Ильей Франком. Долгое время считалось, что все свойства этого излучения известны, пока в 2019 году группа российских физиков-теоретиков из Томского государственного университета — Олег Богданов, Петр Казинский, Петр Королев, Георгий Лазаренко — и Тимур Тухфатуллин из Алматинского филиала МИФИ не занялась исследованием его орбитального углового момента (ОУМ).
Все известные до сих пор источники закрученных фотонов — фотонов с ОУМ — требовали создания условий, в которых, так или иначе, присутствует спиральная симметрия: спиральные траектории электронов в ондуляторах; спиральные фазовые пластинки, через которые пропускается лазерный пучок плосковолновых фотонов; спиральная структура среды, через которую проходит излучение или пролетают заряженные частицы.
Прорывная идея российских физиков заключалась в том, что вихревое излучение, то есть излучение с ОУМ, может возникать и при прямолинейном движении электронов, если соблюдены условия когерентности излучения и сгусток электронов достаточно мал. Проверить эту идею на практике решили японские физики-экспериментаторы под руководством Юити Такабаяши. Подготовка к эксперименту шла два года при консультационной поддержке ученых физического факультета ТГУ.
В синхротронном центре SAGA Light Source японские физики направили пучок электронов с энергией 220 МэВ на мишень в виде позолоченной пластинки. Длина пучка и его поперечные размеры были подобраны так, чтобы выполнялось условие когерентности излучения, обеспечивающее генерацию закрученных фотонов. Для анализа углового момента переходное излучение пропускали через два типа апертур: треугольную апертуру, дающую характерную дифракционную картину с тремя яркими пятнами; двойную щель, смещающую интерференционные полосы при наличии ОУМ.
Результат оказался элегантным и точно таким, как предсказывала теория российских физиков: при круговой поляризации s = ±1 излучение приобретало ОУМ l = ∓1, а полный угловой момент сохранялся: m = l + s = 0.
«Самое удивительное, что ОУМ оказался свойственен даже такому „простому“ излучению, как переходное. Это значит, что закрученные фотоны могут быть вокруг нас, например, в космических лучах, бомбардирующих атмосферу. Мы привыкли думать, что для создания вихря нужен вихрь. Однако оказалось, что даже прямолинейность может порождать спираль, если смотреть достаточно внимательно», — отметил профессор физического факультета Томского государственного университета Петр Казинский.
