Dzięki topologii – gałęzi matematyki badającej właściwości obiektów geometrycznych, które pozostają takie same podczas ciągłych odkształceń, zespół naukowców pod kierownictwem Isaaca Nape’a z Uniwersytetu Witwatersrand w Republice Południowej Afryki i Kayne’a Forbesa z Uniwersytetu Anglii Wschodniej (UEA) w Wielkiej Brytanii odkrył sposób programowania i kontrolowania chiralności światła (czyli prawo- lub leworęczności-) i spinu.
W optyce chiralność jest zwykle kojarzona ze światłem spolaryzowanym kołowo (w którym pole elektryczne obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara w miarę przemieszczania się światła).
„Motywem naszej pracy było pytanie, czy światło może generować i kontrolować swoje własne lokalne właściwości poprzez propagację-bez konieczności stosowania interfejsu materialnego, metapowierzchni lub bardzo ścisłego ogniskowania” – mówi Forbes, wykładowca w Szkole Chemii, Farmacji i Farmakologii UEA, gdzie kieruje grupą-Teorii Materii i Nanofotoniki światła.
Ulepszenie ładunku topologicznego
Topologia wkracza poprzez fazę i polaryzację wiązki światła krążącej po przestrzeni. „Światło strukturalne pozwala nam połączyć te pomysły, dzięki czemu możemy projektować wiązki, których faza i polaryzacja zmieniają się w precyzyjny sposób w poprzek wiązki” – wyjaśnia Forbes. „Zainteresowała nas możliwość wykorzystania topologii wiązki jako prostego pokrętła sterującego. Zmieniając ładunek topologiczny Pancharatnama (jeden parametr), możemy sprawić, że lokalny spin i chiralność światła zreorganizują się podczas propagacji”.
Należy pamiętać, że do uzyskania samego efektu nie są potrzebne żadne specjalne materiały. Spin i chiralność powstają podczas-rozchodzenia się wiązki światła strukturalnego w wolnej przestrzeni,-w tym przypadku wektorowej wiązki wirowej.
Co to jest wiązka wirowa wektorowa? „Wektor oznacza, że polaryzacja zmienia się w całej wiązce, a nie jest jednolita” – mówi Forbes. „Wir oznacza, że wiązka niesie orbitalny moment pędu, który jest powiązany ze skręconym frontem fazowym. Topologia wchodzi w grę poprzez sposób, w jaki wiązka skręca się wokół własnej osi. W naszej pracy to skręcenie jest kontrolowane przez ładunek topologiczny Pancharatnama, który określa, jak zmienia się faza i polaryzacja wiązki w miarę poruszania się wokół wiązki”.
W płaszczyźnie początkowej wiązka jest-zrównoważona pod względem spinowym. Jego lewa- i prawa-składowa kołowa występują jednakowo, więc nie ma lokalnej polaryzacji kołowej. „Ale te dwa elementy mają różne struktury orbitalne” – zauważa Forbes. „W miarę propagacji wiązka uzyskuje różne fazy Gouya i różne profile promieniowe. To sprawia, że prawo- i lewoskrętne-składniki kołowe oddzielają się promieniowo, co wytwarza lokalny spin i chiralność optyczną”.
Należy pamiętać, że do uzyskania samego efektu nie są potrzebne żadne specjalne materiały. Spin i chiralność powstają podczas-rozchodzenia się wiązki światła strukturalnego w wolnej przestrzeni,-w tym przypadku wektorowej wiązki wirowej.
Co to jest wiązka wirowa wektorowa? „Wektor oznacza, że polaryzacja zmienia się w całej wiązce, a nie jest jednolita” – mówi Forbes. „Wir oznacza, że wiązka niesie orbitalny moment pędu, który jest powiązany ze skręconym frontem fazowym. Topologia wchodzi w grę poprzez sposób, w jaki wiązka skręca się wokół własnej osi. W naszej pracy to skręcenie jest kontrolowane przez ładunek topologiczny Pancharatnama, który określa, jak zmienia się faza i polaryzacja wiązki w miarę poruszania się wokół wiązki”.
W płaszczyźnie początkowej wiązka jest-zrównoważona pod względem spinowym. Jego lewa- i prawa-składowa kołowa występują jednakowo, więc nie ma lokalnej polaryzacji kołowej. „Ale te dwa elementy mają różne struktury orbitalne” – zauważa Forbes. „W miarę propagacji wiązka uzyskuje różne fazy Gouya i różne profile promieniowe. To sprawia, że prawo- i lewoskrętne-składniki kołowe oddzielają się promieniowo, co wytwarza lokalny spin i chiralność optyczną”.
Fotonika światła strukturalnego, manipulacja optyczna, wykrywanie chiralne
Trzy z najbardziej oczywistych przyszłych zastosowań to prawdopodobnie fotonika światła strukturalnego, manipulacja optyczna i wykrywanie chiralne. Innym potencjalnym zastosowaniem jest-wielwymiarowe przetwarzanie informacji fotonicznej, ponieważ wiązka łączy spin i orbitalny moment pędu w kontrolowany sposób.
„Zasadniczo nasze odkrycie dotyczy zarówno klasycznego, jak i kwantowego światła strukturalnego, w którym informacje można zakodować w ramach polaryzacji (światło wirujące) i trybów przestrzennych (światło skręcone)” – mówi Nape. „Spin i skręt fotonu można wykorzystać jako alfabet w jasnych wiązkach laserowych i na poziomie pojedynczego fotonu. Każdy odrębny stan reprezentuje inny symbol informacji”.
Obecne prace zespołu obejmują klasyczną fizykę optyczną, ale te same stopnie swobody, spin, orbitalny moment pędu i struktura trybu przestrzennego są również wykorzystywane w fotonice kwantowej. „Naszym-długoterminowym interesem jest to, czy tego rodzaju struktura orbity-kontrolowanej topologią-może być użyteczna do przygotowywania, przekształcania lub kodowania-wysokowymiarowych stanów fotonicznych” – mówi Nape.
Następnie naukowcy planują zbadać, jak ogólny i użyteczny jest ten mechanizm. „Pokazaliśmy, że ładunek topologiczny Pancharatnama może kontrolować spin i chiralność w celu swobodnej-rozprzestrzeniania się w przestrzeni, a teraz pytanie brzmi, jak daleko można posunąć się w tej kontroli” – mówi Nape. „Interesuje nas również to, jak można go wykorzystać do kodowania informacji, manipulacji optycznych i chiralnych interakcji-światła z materią. Naszym szerszym celem jest przejście od demonstracji interesującego efektu światła strukturalnego do opracowania go jako praktycznej zasady projektowania”.
