Topologian, matematiikan haaran, joka tutkii geometristen esineiden ominaisuuksia, jotka pysyvät samoina jatkuvien muodonmuutosten aikana, ansiosta tutkijaryhmä, jota johti Isaac Nape Witwatersrandin yliopistosta Etelä-Afrikasta ja Kayne Forbes East Anglian yliopistosta (UEA) Yhdistyneestä kuningaskunnasta, löysi tavan ohjelmoida ja ohjata valon kiraalisuutta (alias }}}}}}vasemmalle-} tai oikealle{{5.
Optiikassa kiraalisuus liittyy yleensä ympyräpolarisoituun valoon (jossa sähkökenttä pyörii joko myötä- tai vastapäivään valon kulkiessa).
"Työmme motiivina oli kysymys siitä, voiko valo synnyttää ja ohjata omaa paikallista kykyään etenemisen kautta-ilman materiaalirajapintaa, metapintaa tai erittäin tiukkaa tarkennusta", sanoo Forbes, luennoitsija UEA:n kemian, farmasian ja farmakologian korkeakoulusta, jossa hän johtaa Light{1}}Matter and Theory Nanophotonics -ryhmää.
Topologisen varauksen säätö
Topologia tulee läpi avaruuden ympäri kiertävän valonsäteen vaiheen ja polarisoinnin. "Strukturoidun valon avulla voimme yhdistää nämä ideat, jotta voimme suunnitella säteitä, joiden vaihe ja polarisaatio vaihtelevat tarkasti säteen poikki", Forbes selittää. "Olimme kiinnostuneita mahdollisuudesta, että säteen topologia toimii yksinkertaisena säätönupina. Muuttamalla Pancharatnam-topologista varausta (yksi parametri), voimme saada valon paikallisen spinin ja kiraalisuuden järjestäytymään uudelleen etenemisen aikana."
On tärkeää huomata, että tehostukseen ei tarvita erityisiä materiaaleja. Spin ja kiraalisuus ilmenevät tässä tapauksessa strukturoidun valonsäteen vapaan-avaruuden etenemisen aikana-vektoripyörresäteen aikana.
Mikä on vektoripyörresäde? "Vektori tarkoittaa, että polarisaatio vaihtelee säteen välillä sen sijaan, että se olisi tasaista", Forbes sanoo. "Vortex tarkoittaa, että säde kuljettaa kiertoradan kulmamomenttia, joka liittyy kierrettyyn vaiherintamaan. Ja topologia tulee sisään siten, että säde kiertyy oman akselinsa ympäri. Työssämme tätä kierrettä ohjaa Pancharatnam-topologinen varaus, joka määrittää kuinka säteen vaihe ja polarisaatio vaihtelevat liikkuessamme säteen ympäri."
Lähtötasossa säde on spin{0}}tasapainotettu. Sen vasen- ja oikea-ympyräkomponentti ovat läsnä tasaisesti, joten paikallista ympyräpolarisaatiota ei ole. "Mutta näillä kahdella komponentilla on erilaisia kiertoradan rakenteita", Forbes huomauttaa. "Kun säde etenee, ne hankkivat erilaisia Gouy-vaiheita ja erilaisia säteittäisiä profiileja. Tämä erottaa oikeakätiset-- ja vasenkätiset-pyöreät komponentit säteittäisesti, mikä tuottaa paikallista spiniä ja optista kiraalisuutta."
On tärkeää huomata, että tehostukseen ei tarvita erityisiä materiaaleja. Spin ja kiraalisuus ilmenevät tässä tapauksessa strukturoidun valonsäteen vapaan-avaruuden etenemisen aikana-vektoripyörresäteen aikana.
Mikä on vektoripyörresäde? "Vektori tarkoittaa, että polarisaatio vaihtelee säteen välillä sen sijaan, että se olisi tasaista", Forbes sanoo. "Vortex tarkoittaa, että säde kuljettaa kiertoradan kulmamomenttia, joka liittyy kierrettyyn vaiherintamaan. Ja topologia tulee sisään siten, että säde kiertyy oman akselinsa ympäri. Työssämme tätä kierrettä ohjaa Pancharatnam-topologinen varaus, joka määrittää kuinka säteen vaihe ja polarisaatio vaihtelevat liikkuessamme säteen ympäri."
Lähtötasossa säde on spin{0}}tasapainotettu. Sen vasen- ja oikea-ympyräkomponentti ovat läsnä tasaisesti, joten paikallista ympyräpolarisaatiota ei ole. "Mutta näillä kahdella komponentilla on erilaisia kiertoradan rakenteita", Forbes huomauttaa. "Kun säde etenee, ne hankkivat erilaisia Gouy-vaiheita ja erilaisia säteittäisiä profiileja. Tämä erottaa oikeakätiset-- ja vasenkätiset-pyöreät komponentit säteittäisesti, mikä tuottaa paikallista spiniä ja optista kiraalisuutta."
Strukturoitu valofotoniikka, optinen manipulointi, kiraalinen tunnistus
Kolme ilmeisimpiä sovelluksia edessä ovat todennäköisesti strukturoitu valon fotoniikka, optinen manipulointi ja kiraalinen tunnistus. Toinen mahdollinen käyttökohde on korkea-ulotteinen fotoninen tiedonkäsittely, koska säteen linkit spin ja kiertoradan kulmamomentin hallittavalla tavalla.
"Periaatteessa löytömme koskee sekä klassista että kvanttirakenteista valoa, jossa tietoa voidaan koodata polarisaatiossa (pyörivä valo) ja spatiaalisissa tiloissa (kierretty valo), Nape sanoo. "Fotonin spiniä ja kierrettä voidaan käyttää aakkosena kirkkaissa lasersäteissä ja yhden fotonin tasolla. Jokainen erillinen tila edustaa erilaista informaatiosymbolia."
Ryhmän nykyinen työ on klassista optista fysiikkaa, mutta samoja vapausasteita, spiniä, kiertoradan kulmamomenttia ja tilamuotorakennetta käytetään myös kvanttifotoniikassa. "Pidemmällä aikavälillä kiinnostavamme on, voiko tällainen topologia-ohjattu spin-kiertorata olla hyödyllinen korkean-ulotteisten fotonitilojen valmistelussa, muuntamisessa tai koodaamisessa", Nape sanoo.
Seuraavaksi tutkijat aikovat selvittää, kuinka yleinen ja hyödyllinen tämä mekanismi on. "Olemme osoittaneet, että Pancharatnam-topologinen varaus voi ohjata spiniä ja kiraalisuutta ilmaiseen-avaruuden leviämiseen, ja nyt kysymys kuuluu, kuinka pitkälle tätä ohjausta voidaan työntää", Nape sanoo. "Olemme myös kiinnostuneita siitä, miten sitä voidaan käyttää tiedon koodaamiseen, optiseen manipulointiin ja kiraalisten valo-aineiden vuorovaikutukseen. Laajempi tavoitteemme on siirtyä mielenkiintoisen rakenteellisen valoefektin esittelystä sen kehittämiseen käytännöllisenä suunnitteluperiaatteena."
