Vďaka topológii, odboru matematiky, ktorý skúma vlastnosti geometrických objektov, ktoré zostávajú rovnaké, kým prechádzajú nepretržitými deformáciami, tím vedcov pod vedením Isaaca Napea z University of the Witwatersrand v Južnej Afrike a Kayna Forbesa z University of East Anglia (UEA) v Spojenom kráľovstve objavil spôsob, ako naprogramovať a ovládať chiralitu svetla (aka pravotočivosť a rotáciu{5}}).
V optike je chiralita zvyčajne spojená s kruhovo polarizovaným svetlom (v ktorom sa elektrické pole otáča buď v smere alebo proti smeru hodinových ručičiek, keď sa svetlo pohybuje).
„Naša práca bola motivovaná otázkou, či svetlo dokáže generovať a ovládať svoju vlastnú lokálnu prenosnosť prostredníctvom šírenia-bez potreby materiálneho rozhrania, metapovrchu alebo veľmi prísneho zaostrenia,“ hovorí Forbes, lektor na Škole chémie, farmácie a farmakológie UEA, kde vedie skupinu Light{1}}Matter and Nanophotonics Theory.
Vylepšenie topologického náboja
Topológia vstupuje do priestoru prostredníctvom fázy a polarizácie svetelného lúča. „Štruktúrované svetlo nám umožňuje spojiť tieto myšlienky, aby sme mohli navrhnúť lúče, ktorých fáza a polarizácia sa v lúči presne líšia,“ vysvetľuje Forbes. "Zaujala nás možnosť, že topológia lúča funguje ako jednoduchý ovládací gombík. Zmenou topologického náboja Pancharatnam (jeden parameter) môžeme prinútiť, aby sa lokálny spin a chiralita svetla počas šírenia reorganizovali."
Je dôležité poznamenať, že na samotný efekt nie sú potrebné žiadne špeciálne materiály. Spin a chiralita vznikajú počas voľného-priestorového šírenia štruktúrovaného svetelného lúča-v tomto prípade vektorového vírivého lúča.
Čo je to vektorový vírivý lúč? "Vektor znamená, že polarizácia sa mení naprieč lúčom, nie je jednotná," hovorí Forbes. "Vortex znamená, že lúč nesie orbitálny moment hybnosti, ktorý je spojený so skrúteným fázovým čelom. A topológia vstupuje spôsobom, akým sa lúč krúti okolo svojej vlastnej osi. V našej práci je toto skrútenie riadené topologickým nábojom Pancharatnam, ktorý určuje, ako sa mení fáza a polarizácia lúča, keď sa pohybujeme okolo lúča."
V počiatočnej rovine je lúč rotovaný-vyvážený. Jeho ľavý- a pravý-kruhový komponent sú prítomné rovnako, takže nedochádza k lokálnej kruhovej polarizácii. "Ale tieto dve zložky nesú rôzne orbitálne štruktúry," zdôrazňuje Forbes. "Ako sa lúč šíri, získavajú rôzne Gouyove fázy a rôzne radiálne profily. Vďaka tomu sa pravotočivé a ľavotočivé kruhové komponenty radiálne oddelia, čo vytvára lokálny spin a optickú chiralitu."
Je dôležité poznamenať, že na samotný efekt nie sú potrebné žiadne špeciálne materiály. Spin a chiralita vznikajú počas voľného-priestorového šírenia štruktúrovaného svetelného lúča-v tomto prípade vektorového vírivého lúča.
Čo je to vektorový vírivý lúč? "Vektor znamená, že polarizácia sa mení naprieč lúčom, nie je jednotná," hovorí Forbes. "Vortex znamená, že lúč nesie orbitálny moment hybnosti, ktorý je spojený so skrúteným fázovým čelom. A topológia vstupuje spôsobom, akým sa lúč krúti okolo svojej vlastnej osi. V našej práci je toto skrútenie riadené topologickým nábojom Pancharatnam, ktorý určuje, ako sa mení fáza a polarizácia lúča, keď sa pohybujeme okolo lúča."
V počiatočnej rovine je lúč rotovaný-vyvážený. Jeho ľavý- a pravý-kruhový komponent sú prítomné rovnako, takže nedochádza k lokálnej kruhovej polarizácii. "Ale tieto dve zložky nesú rôzne orbitálne štruktúry," zdôrazňuje Forbes. "Ako sa lúč šíri, získavajú rôzne Gouyove fázy a rôzne radiálne profily. Vďaka tomu sa pravotočivé a ľavotočivé kruhové komponenty radiálne oddelia, čo vytvára lokálny spin a optickú chiralitu."
Štruktúrovaná svetelná fotonika, optická manipulácia, chirálne snímanie
Tri z najzrejmejších aplikácií sú pravdepodobne štruktúrovaná svetelná fotonika, optická manipulácia a chirálne snímanie. Ďalším potenciálnym využitím je vysoko-dimenzionálne spracovanie fotonických informácií, pretože lúč spája rotáciu a orbitálny moment hybnosti kontrolovateľným spôsobom.
"V zásade je náš objav relevantný pre klasické aj kvantovo štruktúrované svetlo, kde informácie môžu byť zakódované v rámci polarizácie (točiace sa svetlo) a priestorových režimov (skrútené svetlo)," hovorí Nape. "Fotónový spin a twist možno použiť ako abecedu v rámci jasných laserových lúčov a na úrovni jedného fotónu. Každý odlišný stav predstavuje iný informačný symbol."
Súčasná práca tímu je klasická optická fyzika, ale rovnaké stupne voľnosti, rotácie, orbitálneho momentu hybnosti a štruktúry priestorového režimu sa používajú aj pre kvantovú fotoniku. „Náš dlhodobejší-záujem je, či tento druh topológie-riadenej rotácie{3}}orbitálnej štruktúry môže byť užitočný na prípravu, transformáciu alebo kódovanie vysoko-dimenzionálnych fotonických stavov,“ hovorí Nape.
Ďalej výskumníci plánujú preskúmať, aký všeobecný a užitočný je tento mechanizmus. „Ukázali sme, že topologický náboj Pancharatnam dokáže ovládať rotáciu a chiralitu pre voľné{1}}šírenie vesmírom a teraz je otázkou, ako ďaleko je možné túto kontrolu posunúť,“ hovorí Nape. „Tiež nás zaujíma, ako sa dá použiť na kódovanie informácií, optickú manipuláciu a interakcie chirálnej svetelnej-hmoty. Naším širším cieľom je posunúť sa od demonštrácie zaujímavého štruktúrovaného svetelného efektu k jeho rozvoju ako praktického princípu dizajnu.“
