Tänu topoloogiale, matemaatika harule, mis uurib geomeetriliste objektide omadusi, mis jäävad muutumatuks ka pidevate deformatsioonide käigus, avastas Isaac Nape’i juhitud Lõuna-Aafrika Vabariigi Witwatersrandi ülikooli ja Kayne Forbes’i juhitud rühm East Anglia ülikoolist (UEA) meetodi valguse kiraalsuse programmeerimiseks ja juhtimiseks (teise nimega }}}vasakpoolne-}vasak{{5).
Optikas seostatakse kiraalsust tavaliselt ringpolariseeritud valgusega (milles elektriväli pöörleb valguse liikumisel kas päri- või vastupäeva).
"Meie töö ajendiks oli küsimus, kas valgus suudab levimise kaudu tekitada ja juhtida oma kohalikku käepärasust,{0}}ilma et oleks vaja materjaliliidest, metapinda või väga tihedat fokusseerimist," ütleb Forbes, UEA keemia-, farmaatsia- ja farmakoloogiakooli õppejõud, kus ta juhib Light{1}}Matter and Theoryphotonics rühma.
Topoloogilise laengu näpistamine
Topoloogia siseneb valguskiire tuule faasi ja polarisatsiooni kaudu ruumi ümber. "Struktureeritud valgus võimaldab meil need ideed kokku viia, et saaksime kujundada kiiri, mille faas ja polarisatsioon varieeruvad kogu valgusvihu ulatuses täpselt," selgitab Forbes. "Meid huvitas võimalus, et kiire topoloogia toimiks lihtsa juhtnupuna. Pancharatnami topoloogilist laengut (üks parameeter) muutes saame panna valguse lokaalse spinni ja kiraalsuse levimise ajal ennast ümber korraldama."
Oluline on märkida, et efekti enda jaoks pole vaja spetsiaalseid materjale. Spin ja kiraalsus ilmnevad antud juhul struktureeritud valguskiire -vektorikeerisekiire vaba{1}}ruumilise levimise ajal.
Mis on vektorpööriskiir? "Vektor tähendab, et polarisatsioon varieerub kogu tala ulatuses, mitte ei ole ühtlane," ütleb Forbes. "Vortex tähendab, et kiir kannab orbiidi nurkmomenti, mis on seotud keerdunud faasifrondiga. Ja topoloogia siseneb selle kaudu, kuidas kiir keerdub ümber oma telje. Meie töös juhib seda keerdumist Pancharatnami topoloogiline laeng, mis määrab, kuidas kiire faas ja polarisatsioon muutuvad, kui me ümber kiire liigume."
Algtasapinnal on kiir spin{0}}tasakaalustatud. Selle vasak- ja parem-ringikujulised komponendid esinevad võrdselt, seega puudub kohalik ringpolarisatsioon. "Kuid need kaks komponenti kannavad erinevaid orbitaalstruktuure," märgib Forbes. "Kiire levides omandavad nad erinevad Gouy faasid ja erinevad radiaalsed profiilid. See muudab parema{7}} ja vasakukäelised ümmargused komponendid-radiaalselt eraldatuks, mis tekitab lokaalse spinni ja optilise kiraalsuse."
Oluline on märkida, et efekti enda jaoks pole vaja spetsiaalseid materjale. Spin ja kiraalsus ilmnevad antud juhul struktureeritud valguskiire -vektorikeerisekiire vaba{1}}ruumilise levimise ajal.
Mis on vektorpööriskiir? "Vektor tähendab, et polarisatsioon varieerub kogu tala ulatuses, mitte ei ole ühtlane," ütleb Forbes. "Vortex tähendab, et kiir kannab orbiidi nurkmomenti, mis on seotud keerdunud faasifrondiga. Ja topoloogia siseneb selle kaudu, kuidas kiir keerdub ümber oma telje. Meie töös juhib seda keerdumist Pancharatnami topoloogiline laeng, mis määrab, kuidas kiire faas ja polarisatsioon muutuvad, kui me ümber kiire liigume."
Algtasapinnal on kiir spin{0}}tasakaalustatud. Selle vasak- ja parem-ringikujulised komponendid esinevad võrdselt, seega puudub kohalik ringpolarisatsioon. "Kuid need kaks komponenti kannavad erinevaid orbitaalstruktuure," märgib Forbes. "Kiire levides omandavad nad erinevad Gouy faasid ja erinevad radiaalsed profiilid. See muudab parema{7}} ja vasakukäelised ümmargused komponendid-radiaalselt eraldatuks, mis tekitab lokaalse spinni ja optilise kiraalsuse."
Struktureeritud valgusfotoonika, optiline manipuleerimine, kiraalne sensor
Kolm kõige ilmsemat rakendust on tõenäoliselt struktureeritud valgusfotoonika, optiline manipuleerimine ja kiraalne andur. Teine potentsiaalne kasutusala on suure-mõõtmelise fotoonilise teabe töötlemine, kuna kiir ühendab pöörlevat ja orbiidi nurkimmenti kontrollitaval viisil.
"Põhimõtteliselt on meie avastus oluline nii klassikalise kui ka kvantstruktureeritud valguse jaoks, kus teavet saab kodeerida polarisatsiooni (pöörleva valguse) ja ruumiliste režiimide (keerdunud valgus) piires, " ütleb Nape. "Fotoni pöörlemist ja keerdumist saab kasutada tähestikuna ereda laserkiire sees ja ühe footoni tasemel. Iga eristatav olek tähistab erinevat teabesümbolit."
Meeskonna praegune töö on klassikaline optiline füüsika, kuid sama vabadusastet, spinni, orbiidi nurkmomenti ja ruumilise režiimi struktuuri kasutatakse ka kvantfotoonikas. "Meie pikemas perspektiivis huvitab see, kas selline topoloogia-kontrollitud spin-orbiidi struktuur võib olla kasulik kõrge-mõõtmeliste fotooniliste olekute ettevalmistamiseks, teisendamiseks või kodeerimiseks," ütleb Nape.
Järgmisena kavatsevad teadlased uurida, kui üldine ja kasulik see mehhanism on. "Oleme näidanud, et Pancharatnami topoloogiline laeng suudab kontrollida spinni ja kiraalsust ruumis tasuta-levimiseks, ja nüüd on küsimus selles, kui kaugele seda juhtimist saab lükata," ütleb Nape. "Meid huvitab ka see, kuidas seda saab kasutada teabe kodeerimiseks, optiliseks manipuleerimiseks ja kiraalse valguse -aine interaktsiooniks. Meie laiem eesmärk on liikuda huvitava struktureeritud valgusefekti demonstreerimiselt selle praktilise disaini põhimõttena."
