Физики из Гарварда продемонстрировали метод формирования объёмных световых узоров в свободном пространстве без использования линз, подтвердив существование и возможность точной настройки эффекта Монтгомери. 

Эффект Монтгомери — явление, при котором когерентный пучок света, казалось бы, исчезает, а затем резко перефокусируется в свободном пространстве на определённых расстояниях. Эффект предсказан в 1960-х годах, но до сих пор не наблюдался в контролируемых лабораторных условиях. Эффект Монтгомери позволяет создавать повторяющиеся трёхмерные световые узоры без использования традиционных оптических элементов, таких как линзы и зеркала. Это открывает перспективы для создания новых инструментов в микроскопии, сенсорике и квантовых вычислениях.

В основе метода лежит использование пространственного модулятора света — программируемого оптического элемента, который позволяет формировать фазу лазерного луча таким образом, чтобы удовлетворить математическим условиям самовоспроизведения изображения. Учёные создали луч, который расфокусируется по мере удаления от исходной плоскости, а затем перефокусируется в чёткое пятно на заданном расстоянии, повторяя этот цикл несколько раз.

Авторы работы продемонстрировали, что эффект работает не только для одиночного пятна, но и для различных структурированных лучей, включая лучи в форме бублика, массивы из нескольких пятен и другие сложные узоры.

«Наша полностью программируемая платформа самовоспроизведения изображений может найти применение в самых разных областях, от крупномасштабных квантовых компьютеров на основе нейтральных атомов до одновременной многоплоскостной микроскопии», — заявил Мурат Ессенов, ведущий автор исследования.

Новый метод может быть полезен в экспериментальных квантовых компьютерах, где нейтральные атомы удерживаются в заданных положениях с помощью оптических пинцетов (инструмент, использующий сильно сфокусированный лазерный луч для удержания и манипулирования микроскопическими объектами, такими как атомы или молекулы). Подход, разработанный в лаборатории Капассо, позволит создавать массивы оптических пинцетов на нескольких уровнях, что потенциально позволит создавать трёхмерные архитектуры квантовых компьютеров. Кроме того, метод может найти применение в многоплоскостной оптической визуализации биологических образцов, обеспечивая чёткие плоскости возбуждения с минимальным количеством света между ними, улучшая отношение сигнал/шум и уменьшая повреждение образцов.

В будущем команда планирует перенести разработанные лучи на метаповерхности — ультратонкие оптические элементы.