Takket være topologi, en gren av matematikk som utforsker egenskapene til geometriske objekter som forblir de samme mens de gjennomgår kontinuerlige deformasjoner, oppdaget et team av forskere ledet av Isaac Nape ved University of the Witwatersrand i Sør-Afrika og Kayne Forbes ved University of East Anglia (UEA) i Storbritannia en måte å programmere og kontrollere lysets høyre- eller venstrehånd{5}(}) og spinn.
I optikk er chiralitet vanligvis assosiert med sirkulært polarisert lys (der det elektriske feltet roterer enten med eller mot klokken når lyset beveger seg).
«Arbeidet vårt var motivert av spørsmålet om lys kan generere og kontrollere sin egen lokale håndkraft gjennom forplantning-uten å trenge et materialgrensesnitt, en metasurface eller veldig tett fokusering», sier Forbes, en foreleser ved UEAs School of Chemistry, Pharmacy, and Pharmacology, hvor han leder Light and the{1}photonics-gruppen.
Topologisk ladningsjustering
Topologi går inn gjennom måten fasen og polariseringen til en lysstråle slynger seg rundt i rommet. "Strukturert lys lar oss bringe disse ideene sammen slik at vi kan designe stråler hvis fase og polarisering varierer på nøyaktige måter over strålen," forklarer Forbes. "Vi var interessert i muligheten for at topologien til strålen fungerer som en enkel kontrollknapp. Ved å endre Pancharatnam topologiske ladning (én parameter), kan vi få det lokale spinnet og kiraliteten til lyset til å reorganisere seg selv under forplantningen."
Det er viktig å merke seg at ingen spesielle materialer er nødvendig for selve effekten. Spinnet og chiraliteten dukker opp under den frie-romutbredelsen av en strukturert lysstråle-en vektorvirvelstråle, i dette tilfellet.
Hva er en vektorvirvelstråle? "Vektor betyr at polarisasjonen varierer over strålen, i stedet for å være ensartet," sier Forbes. "Vortex betyr at strålen bærer orbital vinkelmomentum, som er assosiert med en vridd fasefront. Og topologi kommer inn via måten strålen vrir seg rundt sin egen akse. I vårt arbeid styres denne vridningen av den topologiske ladningen Pancharatnam, som setter hvordan strålens fase og polarisering varierer når vi beveger oss rundt strålen."
Ved startplanet er strålen spinnbalansert-. Dens venstre- og høyre-sirkulære komponenter er like tilstede, så det er ingen lokal sirkulær polarisering. "Men disse to komponentene bærer forskjellige orbitale strukturer," påpeker Forbes. "Når strålen forplanter seg, får de forskjellige Gouy-faser og forskjellige radielle profiler. Dette gjør at høyre- og venstre-sirkulære komponenter skilles radielt, noe som produserer lokal spinn og optisk chiralitet."
Det er viktig å merke seg at ingen spesielle materialer er nødvendig for selve effekten. Spinnet og chiraliteten dukker opp under den frie-romutbredelsen av en strukturert lysstråle-en vektorvirvelstråle, i dette tilfellet.
Hva er en vektorvirvelstråle? "Vektor betyr at polarisasjonen varierer over strålen, i stedet for å være ensartet," sier Forbes. "Vortex betyr at strålen bærer orbital vinkelmomentum, som er assosiert med en vridd fasefront. Og topologi kommer inn via måten strålen vrir seg rundt sin egen akse. I vårt arbeid styres denne vridningen av den topologiske ladningen Pancharatnam, som setter hvordan strålens fase og polarisering varierer når vi beveger oss rundt strålen."
Ved startplanet er strålen spinnbalansert-. Dens venstre- og høyre-sirkulære komponenter er like tilstede, så det er ingen lokal sirkulær polarisering. "Men disse to komponentene bærer forskjellige orbitale strukturer," påpeker Forbes. "Når strålen forplanter seg, får de forskjellige Gouy-faser og forskjellige radielle profiler. Dette gjør at høyre- og venstre-sirkulære komponenter skilles radielt, noe som produserer lokal spinn og optisk chiralitet."
Strukturert lysfotonikk, optisk manipulasjon, kiral sensing
Tre av de mest åpenbare applikasjonene fremover er sannsynligvis strukturert lysfotonikk, optisk manipulasjon og kiral sansing. En annen potensiell bruk er høy-dimensjonal fotonisk informasjonsbehandling, fordi strålen kobler spinn og banemomentum på en kontrollerbar måte.
"I prinsippet er oppdagelsen vår relevant for både klassisk og kvantestrukturert lys, der informasjon kan kodes innenfor polarisering (snurrende lys) og romlige moduser (vridd lys)," sier Nape. "Fotonspinnet og -vridningen kan brukes som et alfabet innenfor lyse laserstråler og på enkeltfotonnivå. Hver distinkt tilstand representerer et annet informasjonssymbol."
Teamets nåværende arbeid er klassisk optisk fysikk, men de samme frihetsgradene, spinn, orbital vinkelmomentum og romlig modusstruktur brukes også for kvantefotonikk. "Vår-interesse på lengre sikt er om denne typen topologi-kontrollert spinn-banestruktur kan være nyttig for å forberede, transformere eller kode høye-fotoniske tilstander," sier Nape.
Deretter planlegger forskerne å utforske hvor generell og nyttig denne mekanismen er. "Vi har vist at den topologiske ladningen Pancharatnam kan kontrollere spinn og chiralitet for gratis-romspredning, og nå er spørsmålet hvor langt denne kontrollen kan skyves," sier Nape. "Vi er også interessert i hvordan den kan brukes til informasjonskoding, optisk manipulasjon og interaksjoner med kiralt lys-. Vårt bredere mål er å gå fra å demonstrere en interessant strukturert lyseffekt til å utvikle den som et praktisk designprinsipp."
