Zahvaljujući topologiji, grani matematike koja istražuje svojstva geometrijskih objekata koji ostaju isti dok prolaze kroz kontinuirane deformacije, tim naučnika predvođen Isaacom Napeom sa Univerziteta Witwatersrand u Južnoj Africi i Kayneom Forbesom sa Univerziteta East Anglia (UEA) u Velikoj Britaniji otkrio je način da programira i kontroliše kiralnost svjetlosti ili desno{56} ({56}) spin.
U optici, kiralnost se obično povezuje s kružno polariziranom svjetlošću (u kojoj se električno polje rotira ili u smjeru kazaljke na satu ili suprotno od kazaljke na satu kako svjetlost putuje).
"Naš rad je bio motiviran pitanjem da li svjetlost može generirati i kontrolirati vlastitu lokalnu predanost širenjem-bez potrebe za materijalnim interfejsom, metapovršinom ili vrlo čvrstim fokusiranjem", kaže Forbes, predavač na UEA školi za hemiju, farmaciju i farmakologiju, gdje vodi grupu Maton Light{1}.
Topološko podešavanje naboja
Topologija ulazi kroz način na koji faza i polarizacija svetlosnog snopa vijuga oko prostora. „Strukturirano svjetlo nam omogućava da objedinimo ove ideje kako bismo mogli dizajnirati zrake čija se faza i polarizacija razlikuju na precizan način preko zraka“, objašnjava Forbes. "Zanimala nas je mogućnost da topologija zraka djeluje kao jednostavno kontrolno dugme. Promjenom Pancharatnam topološkog naboja (jedan parametar), možemo učiniti da se lokalni spin i kiralnost svjetlosti reorganiziraju tokom širenja."
Važno je napomenuti da za sam efekat nisu potrebni posebni materijali. Spin i kiralnost se pojavljuju tokom slobodnog-prostornog širenja strukturiranog svjetlosnog snopa-vektorskog vrtložnog snopa, u ovom slučaju.
Šta je vektorski vrtložni snop? "Vektor znači da polarizacija varira po snopu, a ne da je ujednačena", kaže Forbes. "Vorteks znači da snop nosi orbitalni ugaoni moment, koji je povezan s uvrnutim faznim frontom. A topologija ulazi putem načina na koji se snop uvija oko vlastite ose. U našem radu, ovo uvijanje kontrolira Pancharatnam topološki naboj, koji određuje kako se faza i polarizacija zraka mijenjaju dok se krećemo oko snopa."
U početnoj ravni, snop je rotirajući-uravnotežen. Njegova lijeva- i desna-kružna komponenta su podjednako prisutne, tako da nema lokalne kružne polarizacije. "Ali ove dvije komponente nose različite orbitalne strukture", ističe Forbes. "Kako se snop širi, oni dobijaju različite Gouy faze i različite radijalne profile. Ovo čini da se desna- i lijevo-okrenuta komponenta radijalno odvaja, što proizvodi lokalni spin i optičku kiralnost."
Važno je napomenuti da za sam efekat nisu potrebni posebni materijali. Spin i kiralnost se pojavljuju tokom slobodnog-prostornog širenja strukturiranog svjetlosnog snopa-vektorskog vrtložnog snopa, u ovom slučaju.
Šta je vektorski vrtložni snop? "Vektor znači da polarizacija varira po snopu, a ne da je ujednačena", kaže Forbes. "Vorteks znači da snop nosi orbitalni ugaoni moment, koji je povezan s uvrnutim faznim frontom. A topologija ulazi putem načina na koji se snop uvija oko vlastite ose. U našem radu, ovo uvijanje kontrolira Pancharatnam topološki naboj, koji određuje kako se faza i polarizacija zraka mijenjaju dok se krećemo oko snopa."
U početnoj ravni, snop je rotirajući-uravnotežen. Njegova lijeva- i desna-kružna komponenta su podjednako prisutne, tako da nema lokalne kružne polarizacije. "Ali ove dvije komponente nose različite orbitalne strukture", ističe Forbes. "Kako se snop širi, oni dobijaju različite Gouy faze i različite radijalne profile. Ovo čini da se desna- i lijevo-okrenuta komponenta radijalno odvaja, što proizvodi lokalni spin i optičku kiralnost."
Fotonika strukturirane svjetlosti, optička manipulacija, kiralno sensing
Tri od najočitijih aplikacija koje predstoje su vjerovatno strukturirana fotonika svjetlosti, optička manipulacija i kiralno sensing. Druga potencijalna upotreba je visoko{1}}dimenzionalna fotonička obrada informacija, jer snop povezuje spin i orbitalni ugaoni moment na način koji se može kontrolisati.
"U principu, naše otkriće je relevantno i za klasičnu i za kvantno strukturirano svjetlo, gdje se informacije mogu kodirati unutar polarizacije (svjetlost koja se okreće) i prostornih modova (uvrnuta svjetlost)", kaže Nape. "Okretanje i uvijanje fotona može se koristiti kao abeceda unutar sjajnih laserskih zraka i na nivou jednog fotona. Svako posebno stanje predstavlja drugačiji simbol informacija."
Sadašnji rad tima je klasična optička fizika, ali isti stepeni slobode, spin, orbitalni ugaoni moment i struktura prostornog moda se takođe koriste za kvantnu fotoniku. "Naš-dugoročni interes je da li ova vrsta topologijski-kontrolisane spin-strukture orbite može biti korisna za pripremu, transformaciju ili kodiranje visoko{4}}dimenzionalnih fotoničkih stanja," kaže Nape.
Zatim, istraživači planiraju istražiti koliko je ovaj mehanizam opći i koristan. "Pokazali smo da Pancharatnam topološki naboj može kontrolirati spin i kiralnost za besplatno-prostorno širenje, a sada je pitanje koliko daleko ova kontrola može biti gurnuta," kaže Nape. "Također nas zanima kako se može koristiti za kodiranje informacija, optičku manipulaciju i interakcije kiralne svjetlosne-materije. Naš širi cilj je da pređemo sa demonstracije zanimljivog strukturiranog svjetlosnog efekta na njegovo razvijanje kao praktičnog principa dizajna."
