Благодарение на топологията, клон на математиката, който изследва свойствата на геометричните обекти, които остават същите, докато претърпяват непрекъснати деформации, екип от учени, ръководен от Айзък Нейп от Университета на Витуотърсранд в Южна Африка и Кейн Форбс от Университета на Източна Англия (UEA) в Обединеното кралство, откри начин за програмиране и контрол на хиралността на светлината (известна още като дясната- или лява-ръкохватка) и въртенето.
В оптиката хиралността обикновено се свързва с кръгово поляризирана светлина (в която електрическото поле се върти или по посока на часовниковата стрелка, или обратно на часовниковата стрелка, докато светлината пътува).
„Нашата работа беше мотивирана от въпроса дали светлината може да генерира и контролира собственото си локално движение чрез разпространение-без нужда от материален интерфейс, метаповърхност или много плътно фокусиране“, казва Форбс, преподавател в Училището по химия, фармация и фармакология на UEA, където той ръководи групата по теория на-материята и нанофотониката.
Ощипване на топологичен заряд
Топологията навлиза чрез начина, по който фазата и поляризацията на светлинния лъч обикалят пространството. „Структурираната светлина ни позволява да обединим тези идеи, за да можем да проектираме лъчи, чиято фаза и поляризация варират по точни начини в лъча“, обяснява Forbes. "Интересувахме се от възможността топологията на лъча да действа като просто контролно копче. Чрез промяна на топологичния заряд на Pancharatnam (един параметър), можем да накараме локалното въртене и хиралността на светлината да се реорганизират по време на разпространението."
Важно е да се отбележи, че за самия ефект не са необходими специални материали. Въртенето и хиралността се появяват по време на-разпространението в свободното пространство на структуриран светлинен лъч-векторен вихров лъч, в този случай.
Какво е векторен вихров лъч? „Вектор означава, че поляризацията варира в лъча, вместо да е еднаква“, казва Forbes. „Вихър означава, че лъчът носи орбитален ъглов момент, който е свързан с усукан фазов фронт. И топологията навлиза чрез начина, по който лъчът се завърта около собствената си ос. В нашата работа това усукване се контролира от топологичния заряд на Pancharatnam, който определя как фазата и поляризацията на лъча варират, докато се движим около лъча.“
В началната равнина лъчът е спин-балансиран. Неговите ляв- и десен-кръгови компоненти присъстват еднакво, така че няма локална кръгова поляризация. „Но тези два компонента носят различни орбитални структури“, посочва Forbes. „Докато лъчът се разпространява, те придобиват различни фази на Gouy и различни радиални профили. Това прави десния- и левия-кръгови компоненти разделени радиално, което създава локално въртене и оптична хиралност.“
Важно е да се отбележи, че за самия ефект не са необходими специални материали. Въртенето и хиралността се появяват по време на-разпространението в свободното пространство на структуриран светлинен лъч-векторен вихров лъч, в този случай.
Какво е векторен вихров лъч? „Вектор означава, че поляризацията варира в лъча, вместо да е еднаква“, казва Forbes. „Вихър означава, че лъчът носи орбитален ъглов момент, който е свързан с усукан фазов фронт. И топологията навлиза чрез начина, по който лъчът се завърта около собствената си ос. В нашата работа това усукване се контролира от топологичния заряд на Pancharatnam, който определя как фазата и поляризацията на лъча варират, докато се движим около лъча.“
В началната равнина лъчът е спин-балансиран. Неговите ляв- и десен-кръгови компоненти присъстват еднакво, така че няма локална кръгова поляризация. „Но тези два компонента носят различни орбитални структури“, посочва Forbes. „Докато лъчът се разпространява, те придобиват различни фази на Gouy и различни радиални профили. Това прави десния- и левия-кръгови компоненти разделени радиално, което създава локално въртене и оптична хиралност.“
Фотоника на структурирана светлина, оптична манипулация, хирално усещане
Три от най-очевидните предстоящи приложения вероятно са структурирана светлинна фотоника, оптична манипулация и хирално отчитане. Друга потенциална употреба е високо{1}}измерната обработка на фотонна информация, тъй като лъчът свързва въртенето и орбиталния ъглов момент по контролируем начин.
„По принцип нашето откритие е от значение както за класическата, така и за квантовата структурирана светлина, където информацията може да бъде кодирана в поляризация (въртяща се светлина) и пространствени режими (усукана светлина)“, казва Нейп. "Въртенето и усукването на фотона може да се използва като азбука в ярки лазерни лъчи и на ниво един фотон. Всяко отделно състояние представлява различен информационен символ."
Настоящата работа на екипа е класическа оптична физика, но същите степени на свобода, въртене, орбитален ъглов момент и структура на пространствения режим се използват и за квантовата фотоника. „Нашият-по-дългосрочен интерес е дали този вид топология-контролирана спин-орбитална структура може да бъде полезна за подготовка, трансформиране или кодиране на високо-измерни фотонни състояния“, казва Напе.
След това изследователите планират да проучат колко общ и полезен е този механизъм. „Ние показахме, че топологичният заряд на Панчаратнам може да контролира въртенето и хиралността за свободно-пространствено разпространение и сега въпросът е докъде може да бъде прокаран този контрол“, казва Напе. „Интересуваме се също как може да се използва за кодиране на информация, оптична манипулация и взаимодействия на хирална светлина-материя. Нашата по-широка цел е да преминем от демонстриране на интересен структуриран светлинен ефект към разработването му като практичен принцип на проектиране.“
