Zahvaljujući topologiji, grani matematike koja istražuje svojstva geometrijskih objekata koji ostaju isti dok su podvrgnuti kontinuiranim deformacijama, tim znanstvenika predvođen Isaacom Napeom sa Sveučilišta Witwatersrand u Južnoafričkoj Republici i Kayneom Forbesom sa Sveučilišta East Anglia (UEA) u Ujedinjenom Kraljevstvu otkrio je način za programiranje i kontrolu kiralnosti svjetlosti (odnosno desno- ili ljevo-rukosti) i vrtnje.
U optici, kiralnost se obično povezuje s cirkularno polariziranom svjetlošću (u kojoj se električno polje okreće ili u smjeru kazaljke na satu ili u suprotnom smjeru dok svjetlost putuje).
"Naš je rad bio motiviran pitanjem može li svjetlost generirati i kontrolirati svoju vlastitu lokalnu pokretljivost širenjem-bez potrebe za materijalnim sučeljem, metapovršinom ili vrlo čvrstim fokusiranjem", kaže Forbes, predavač na Fakultetu za kemiju, farmaciju i farmakologiju UEA-e, gdje vodi grupu za teoriju-materije i nanofotonike.
Topološko podešavanje naboja
Topologija ulazi kroz način na koji faza i polarizacija svjetlosnog snopa vitlaju prostorom. "Strukturirano svjetlo omogućuje nam da objedinimo ove ideje kako bismo mogli dizajnirati zrake čija se faza i polarizacija razlikuju na precizne načine preko zrake", objašnjava Forbes. "Zanimala nas je mogućnost da topologija snopa djeluje kao jednostavna kontrolna tipka. Promjenom Pancharatnam topološkog naboja (jedan parametar), možemo učiniti da se lokalni spin i kiralnost svjetlosti reorganiziraju tijekom širenja."
Važno je napomenuti da za sam učinak nisu potrebni nikakvi posebni materijali. Spin i kiralnost pojavljuju se tijekom -širenja strukturirane svjetlosne zrake u slobodnom prostoru-vektorske vrtložne zrake, u ovom slučaju.
Što je vektorska vrtložna zraka? "Vektor znači da polarizacija varira po snopu, a ne da bude jednolika", kaže Forbes. "Vorteks znači da zraka nosi orbitalni kutni moment, koji je povezan s upletenom faznom frontom. A topologija ulazi putem načina na koji se zraka okreće oko vlastite osi. U našem radu, ovo uvijanje kontrolira Pancharatnamov topološki naboj, koji postavlja kako faza i polarizacija zrake variraju dok se krećemo oko zrake."
U početnoj ravnini, zraka je spin-uravnotežena. Njegova lijeva- i desna-kružna komponenta prisutne su jednako, tako da nema lokalne kružne polarizacije. "Ali ove dvije komponente nose različite orbitalne strukture", ističe Forbes. "Kako se zraka širi, ona poprima različite Gouyeve faze i različite radijalne profile. Zbog toga se desno- i lijevo-kružne komponente odvajaju radijalno, što proizvodi lokalni spin i optičku kiralnost."
Važno je napomenuti da za sam učinak nisu potrebni nikakvi posebni materijali. Spin i kiralnost pojavljuju se tijekom -širenja strukturirane svjetlosne zrake u slobodnom prostoru-vektorske vrtložne zrake, u ovom slučaju.
Što je vektorska vrtložna zraka? "Vektor znači da polarizacija varira po snopu, a ne da bude jednolika", kaže Forbes. "Vorteks znači da zraka nosi orbitalni kutni moment, koji je povezan s upletenom faznom frontom. A topologija ulazi putem načina na koji se zraka okreće oko vlastite osi. U našem radu, ovo uvijanje kontrolira Pancharatnamov topološki naboj, koji postavlja kako faza i polarizacija zrake variraju dok se krećemo oko zrake."
U početnoj ravnini, zraka je spin-uravnotežena. Njegova lijeva- i desna-kružna komponenta prisutne su jednako, tako da nema lokalne kružne polarizacije. "Ali ove dvije komponente nose različite orbitalne strukture", ističe Forbes. "Kako se zraka širi, ona poprima različite Gouyeve faze i različite radijalne profile. Zbog toga se desno- i lijevo-kružne komponente odvajaju radijalno, što proizvodi lokalni spin i optičku kiralnost."
Fotonika strukturirane svjetlosti, optička manipulacija, kiralni senzor
Tri najočiglednije primjene koje slijede vjerojatno su fotonika strukturirane svjetlosti, optička manipulacija i kiralni senzor. Druga potencijalna upotreba je visoko{1}}dimenzionalna fotonska obrada informacija, jer zraka povezuje vrtnju i orbitalni kutni moment na kontroliran način.
"U načelu, naše otkriće je relevantno i za klasično i za kvantno strukturirano svjetlo, gdje se informacije mogu kodirati unutar polarizacije (rotirajuća svjetlost) i prostornih modova (uvrnuta svjetlost)", kaže Nape. "Vrtnja i uvijanje fotona može se koristiti kao abeceda unutar svijetlih laserskih zraka i na razini jednog fotona. Svako različito stanje predstavlja drugačiji informacijski simbol."
Trenutačni rad tima je klasična optička fizika, ali isti stupnjevi slobode, spin, orbitalni kutni moment i struktura prostornog moda također se koriste za kvantnu fotoniku. "Naš dugoročni-interes je može li ova vrsta topologije-kontrolirane spin-strukture orbite biti korisna za pripremu, transformaciju ili kodiranje visoko{4}}dimenzionalnih fotonskih stanja," kaže Nape.
Zatim, istraživači planiraju istražiti koliko je ovaj mehanizam općenit i koristan. "Pokazali smo da Pancharatnam topološki naboj može kontrolirati spin i kiralnost za širenje-prostora, a sada je pitanje koliko daleko se ta kontrola može pomaknuti", kaže Nape. "Također nas zanima kako se može koristiti za kodiranje informacija, optičku manipulaciju i interakcije kiralne svjetlosne-materije. Naš je širi cilj prijeći s demonstracije zanimljivog strukturiranog svjetlosnog efekta na njegov razvoj kao praktično načelo dizajna."
