A topológiának, a matematika azon ágának köszönhetően, amely a geometriai objektumok azon tulajdonságait kutatja, amelyek változatlanok maradnak, miközben állandó deformációkon mennek keresztül, Isaac Nape (a dél-afrikai Witwatersrand Egyetemen és Kayne Forbes, a University of East Anglia (UEA)) tudóscsoportja felfedezte a fény kiralitásának (más néven baloldali-}}bal{{5) programozásának és szabályozásának módját.
Az optikában a kiralitást általában körkörösen polarizált fénnyel társítják (amelyben az elektromos tér az óramutató járásával megegyezően vagy azzal ellentétes irányban forog, ahogy a fény halad).
"Munkánkat az a kérdés motiválta, hogy a fény képes-e előállítani és szabályozni saját lokális hatását a terjedés útján-anyagi felület, metafelület vagy nagyon szoros fókuszálás nélkül" - mondja Forbes, az UEA Kémiai, Gyógyszerészeti és Gyógyszerészeti Iskola oktatója, ahol a Light{1}}Matter and The Nanophotonics csoportot vezeti.
Topológiai töltés csípés
A topológia a tér körüli fénynyaláb szélének fázisában és polarizációjában lép be. "A strukturált fény lehetővé teszi, hogy ezeket az ötleteket összehozzuk, így olyan sugarakat tervezhetünk, amelyek fázisa és polarizációja pontosan változik a sugárnyalábon" - magyarázza Forbes. "Arra voltunk kíváncsiak, hogy a sugár topológiája egyszerű vezérlőgombként működjön. A Pancharatnam topológiai töltés (egy paraméter) megváltoztatásával a fény lokális spinje és kiralitása újraszerveződhet a terjedés során."
Fontos megjegyezni, hogy magához a hatáshoz nincs szükség speciális anyagokra. A spin és a kiralitás egy strukturált fénysugár szabad-térterjedése során-egy vektorörvénysugár, ebben az esetben jelentkezik.
Mi az a vektorörvénynyaláb? "A vektor azt jelenti, hogy a polarizáció a nyalábon belül változik, nem pedig egyenletes" - mondja Forbes. "Az örvény azt jelenti, hogy a nyaláb orbitális szögmomentumot hordoz, ami egy csavart fázisfronthoz kapcsolódik. A topológia pedig azon keresztül lép be, ahogy a nyaláb elcsavarodik a saját tengelye körül. Munkánk során ezt a csavarodást a Pancharatnam topológiai töltés szabályozza, amely beállítja, hogy a nyaláb fázisa és polarizációja hogyan változik, ahogy a nyaláb körül mozogunk."
A kezdősíkon a sugár spin{0}}kiegyensúlyozott. Bal- és jobb-kör alakú komponensei egyformán jelen vannak, így nincs lokális körpolarizáció. "De ez a két komponens különböző orbitális szerkezeteket hordoz" - mutat rá a Forbes. "A sugár terjedésével különböző Gouy-fázisokat és eltérő radiális profilokat kapnak. Ezáltal a jobb- és a bal-kör alakú komponens sugárirányban elválik egymástól, ami helyi spint és optikai kiralitást eredményez."
Fontos megjegyezni, hogy magához a hatáshoz nincs szükség speciális anyagokra. A spin és a kiralitás egy strukturált fénysugár szabad-térterjedése során-egy vektorörvénysugár, ebben az esetben jelentkezik.
Mi az a vektorörvénynyaláb? "A vektor azt jelenti, hogy a polarizáció a nyalábon belül változik, nem pedig egyenletes" - mondja Forbes. "Az örvény azt jelenti, hogy a nyaláb orbitális szögmomentumot hordoz, ami egy csavart fázisfronthoz kapcsolódik. A topológia pedig azon keresztül lép be, ahogy a nyaláb elcsavarodik a saját tengelye körül. Munkánk során ezt a csavarodást a Pancharatnam topológiai töltés szabályozza, amely beállítja, hogy a nyaláb fázisa és polarizációja hogyan változik, ahogy a nyaláb körül mozogunk."
A kezdősíkon a sugár spin{0}}kiegyensúlyozott. Bal- és jobb-kör alakú komponensei egyformán jelen vannak, így nincs lokális körpolarizáció. "De ez a két komponens különböző orbitális szerkezeteket hordoz" - mutat rá a Forbes. "A sugár terjedésével különböző Gouy-fázisokat és eltérő radiális profilokat kapnak. Ezáltal a jobb- és a bal-kör alakú komponens sugárirányban elválik egymástól, ami helyi spint és optikai kiralitást eredményez."
Strukturált fényfotonika, optikai manipuláció, királis érzékelés
A három legnyilvánvalóbb alkalmazás a valószínűleg strukturált fényfotonika, az optikai manipuláció és a királis érzékelés. Egy másik lehetséges felhasználási terület a nagy-dimenziós fotonikus információfeldolgozás, mivel a nyaláb szabályozható módon kapcsolja össze a spint és a pálya szögimpulzusát.
"Felfedezésünk elvileg mind a klasszikus, mind a kvantumstrukturált fényre vonatkozik, ahol az információ polarizáción (forgó fény) és térbeli módokon (csavart fény) belül kódolható" - mondja Nape. "A foton spin és twist ábécéként használható fényes lézersugarakban és egyetlen foton szintjén. Minden egyes állapot más információs szimbólumot jelent."
A csapat jelenlegi munkája a klasszikus optikai fizika, de ugyanazt a szabadságfokot, spint, pálya szögmomentumot és térmódusú struktúrát alkalmazzák a kvantumfotonikához is. "Hosszabb távú-érdeklődésünk, hogy ez a fajta topológia-vezérelt spin-pályaszerkezet hasznos lehet-e a nagy-dimenziós fotonikus állapotok előkészítésére, átalakítására vagy kódolására" - mondja Nape.
Ezután a kutatók azt tervezik, hogy feltárják, mennyire általános és hasznos ez a mechanizmus. "Megmutattuk, hogy a Pancharatnam topológiai töltés képes szabályozni a spint és a kiralitást az ingyenes -térterjedés érdekében, és most az a kérdés, hogy meddig tolható el ez a vezérlés" - mondja Nape. "Arra is kíváncsiak vagyunk, hogyan használható információkódolásra, optikai manipulációra és királis fény{3}}anyag kölcsönhatásokra. Tágabb célunk az, hogy egy érdekes strukturált fényeffektus bemutatásáról gyakorlati tervezési elvként fejlesszük ki."
