Takket være topologi, en gren af matematik, der udforsker egenskaber af geometriske objekter, der forbliver de samme, mens de gennemgår kontinuerlige deformationer, opdagede et team af videnskabsmænd ledet af Isaac Nape ved University of the Witwatersrand i Sydafrika og Kayne Forbes ved University of East Anglia (UEA) i Storbritannien en måde at programmere og kontrollere lysets højre- eller venstrehånd{5}(6}) og spin.
I optik er chiralitet normalt forbundet med cirkulært polariseret lys (hvor det elektriske felt roterer enten med uret eller mod uret, når lyset bevæger sig).
"Vores arbejde var motiveret af spørgsmålet om, hvorvidt lys kan generere og kontrollere sit eget lokale håndværk gennem udbredelse-uden at have behov for en materialegrænseflade, en metasurface eller meget stram fokusering," siger Forbes, der er underviser ved UEA's School of Chemistry, Pharmacy, and Pharmacology, hvor han leder Light and the{1}photonics-gruppen.
Topologisk ladningsjustering
Topologi går ind gennem den måde, hvorpå fasen og polariseringen af en lysstråle vinder rundt i rummet. "Struktureret lys lader os bringe disse ideer sammen, så vi kan designe stråler, hvis fase og polarisering varierer på præcise måder på tværs af strålen," forklarer Forbes. "Vi var interesserede i muligheden for, at strålens topologi fungerer som en simpel kontrolknap. Ved at ændre Pancharatnam topologiske ladning (én parameter), kan vi få lysets lokale spin og chiralitet til at reorganisere sig selv under udbredelsen."
Det er vigtigt at bemærke, at der ikke er behov for specielle materialer til selve effekten. Spindet og chiraliteten opstår under den frie-rumsudbredelse af en struktureret lysstråle-en vektorhvirvelstråle, i dette tilfælde.
Hvad er en vektorhvirvelstråle? "Vektor betyder, at polariseringen varierer over strålen i stedet for at være ensartet," siger Forbes. "Hvirvel betyder, at strålen bærer kredsløbsvinkelmomentum, som er forbundet med en snoet fasefront. Og topologien kommer ind via den måde, hvorpå strålen drejer sig om sin egen akse. I vores arbejde er denne drejning styret af den topologiske ladning Pancharatnam, som sætter, hvordan strålens fase og polarisering varierer, når vi bevæger os rundt i strålen."
I startplanet er strålen spin-afbalanceret. Dens venstre- og højre-cirkulære komponenter er til stede lige meget, så der er ingen lokal cirkulær polarisering. "Men disse to komponenter bærer forskellige orbitale strukturer," påpeger Forbes. "Når strålen forplanter sig, får de forskellige Gouy-faser og forskellige radiale profiler. Dette gør, at højre- og venstre-cirkulære komponenter adskilles radialt, hvilket producerer lokalt spin og optisk chiralitet."
Det er vigtigt at bemærke, at der ikke er behov for specielle materialer til selve effekten. Spindet og chiraliteten opstår under den frie-rumsudbredelse af en struktureret lysstråle-en vektorhvirvelstråle, i dette tilfælde.
Hvad er en vektorhvirvelstråle? "Vektor betyder, at polariseringen varierer over strålen i stedet for at være ensartet," siger Forbes. "Hvirvel betyder, at strålen bærer kredsløbsvinkelmomentum, som er forbundet med en snoet fasefront. Og topologien kommer ind via den måde, hvorpå strålen drejer sig om sin egen akse. I vores arbejde er denne drejning styret af den topologiske ladning Pancharatnam, som sætter, hvordan strålens fase og polarisering varierer, når vi bevæger os rundt i strålen."
I startplanet er strålen spin-afbalanceret. Dens venstre- og højre-cirkulære komponenter er til stede lige meget, så der er ingen lokal cirkulær polarisering. "Men disse to komponenter bærer forskellige orbitale strukturer," påpeger Forbes. "Når strålen forplanter sig, får de forskellige Gouy-faser og forskellige radiale profiler. Dette gør, at højre- og venstre-cirkulære komponenter adskilles radialt, hvilket producerer lokalt spin og optisk chiralitet."
Struktureret lysfotonik, optisk manipulation, chiral sansning
Tre af de mest oplagte anvendelser forude er sandsynligvis struktureret lysfotonik, optisk manipulation og chiral sansning. En anden potentiel anvendelse er høj-dimensionel fotonisk informationsbehandling, fordi strålen forbinder spin og orbitalt vinkelmomentum på en kontrollerbar måde.
"I princippet er vores opdagelse relevant for både klassisk og kvantestruktureret lys, hvor information kan kodes inden for polarisering (snurrende lys) og rumlige tilstande (snoet lys)," siger Nape. "Foton-spin og twist kan bruges som et alfabet inden for lyse laserstråler og på enkeltfotonniveau. Hver særskilt tilstand repræsenterer et forskelligt informationssymbol."
Holdets nuværende arbejde er klassisk optisk fysik, men de samme frihedsgrader, spin, orbital vinkelmomentum og rumlig tilstandsstruktur bruges også til kvantefotonik. "Vores mere-interesse er, om denne form for topologi-kontrolleret spin-banestruktur kan være nyttig til at forberede, transformere eller kode høj-dimensionelle fotoniske tilstande," siger Nape.
Dernæst planlægger forskerne at undersøge, hvor generel og nyttig denne mekanisme er. "Vi har vist, at Pancharatnam-topologiske ladning kan styre spin og chiralitet for fri-rumspredning, og nu er spørgsmålet, hvor langt denne kontrol kan skubbes," siger Nape. "Vi er også interesserede i, hvordan det kan bruges til informationskodning, optisk manipulation og chiral lys-interaktioner. Vores bredere mål er at gå fra at demonstrere en interessant struktureret lyseffekt til at udvikle den som et praktisk designprincip."
