Группе физиков из Германии, Канады, Италии и США удалось добиться необычного состояния луча света. В проведённом эксперименте они смогли закрутить локальную поляризацию подобно листу Мёбиуса — топологической фигуре с единственной поверхностью.
У плоского луча когерентной волны вектор электрического поля в каждый момент времени постоянен по всему фронту волны. Если рассматривать его поведение в определённой точке, окажется, что направление поля либо колеблется в постоянной плоскости, и это пример линейной поляризации, либо описывает эллипс (в частном случае — правильную окружность), и тогда имеет место круговая поляризация. Но для всего фронта характер колебаний одинаков, как и направление плоскости или большой полуоси эллипса.
Однако в случае так называемого трёхмерного света, когда лучи существенно не параллельны друг другу, направления поляризации могут быть различными в разных точках пространства. Подобная картина наблюдается близ фокуса мощной линзы.
В 2008 году профессор Ицхак Фройнд (יצחק פרוינד, Isaak Freund) из Университета имени Бар-Илана в Рамат-Гане, Израиль, в своей теоретической работе «Оптические сингулярности Мёбиуса» (англ. Optical Möbius Singularities) рассмотрел конфигурации трёхмерного оптического поля вокруг сингулярностей — линий, на которых свет обладает линейной или круговой поляризацией. В окрестностях этих линий локальная поляризация является эллиптической, а направление большой полуоси меняется при обходе линии сингулярности.
Фройнд показал, что при обходе сингулярности с возвращением в исходную точку эллипсы поляризации могут поворачиваться на половину оборота, полный оборот, а также на полтора или два оборота. В первом случае эллипс при обходе сингулярности переходит в такой же эллипс, но повёрнутый на 180°. Эта ситуация аналогична обходу ленты Мёбиуса: переместившись по ленте на полную её длину, можно попасть в ту же точку, но с обратной стороны.
Чтобы добиться этого эффекта на практике, исследователи использовали пластину жидкого кристалла с винтовой дислокацией: дефектом, вследствие которого слои кристаллической решётки закручены в спираль. Картину поляризаций в полученном трёхмерном свете физики изучали с помощью наночастицы, помещаемой в поперечное сечение светового потока. Замеряя поляризацию света, отражённого от частицы, они определяли, как именно поляризован свет в точке, где она находится.
Изучение необычных поляризационных состояний не только помогает улучшить понимание принципов поляризации света. Подобные световые поля могут применяться для создания сложных структур на микро- и наноуровне, например, метаматериалов.
