Tack vare topologi, en gren av matematiken som utforskar egenskaperna hos geometriska objekt som förblir desamma medan de genomgår kontinuerliga deformationer, upptäckte ett team av vetenskapsmän ledda av Isaac Nape vid University of the Witwatersrand i Sydafrika och Kayne Forbes vid University of East Anglia (UEA) i Storbritannien ett sätt att programmera och kontrollera ljusets höger- eller vänsterhand{6}}(6) och snurra.
Inom optik är kiralitet vanligtvis förknippat med cirkulärt polariserat ljus (där det elektriska fältet roterar antingen medurs eller moturs när ljuset färdas).
"Vårt arbete motiverades av frågan om huruvida ljus kan generera och kontrollera sin egen lokala handenhet genom spridning-utan att behöva ett materialgränssnitt, en metayta eller mycket snäv fokusering", säger Forbes, en föreläsare vid UEA:s School of Chemistry, Pharmacy, and Pharmacology, där han leder Light- och Nanophotonics-gruppen-.
Topologisk laddningsjustering
Topologi kommer in genom hur fasen och polariseringen av en ljusstråle slingrar sig runt rymden. "Strukturerat ljus låter oss sammanföra dessa idéer så att vi kan designa strålar vars fas och polarisering varierar på exakta sätt över strålen", förklarar Forbes. "Vi var intresserade av möjligheten att strålens topologi skulle fungera som en enkel kontrollratt. Genom att ändra Pancharatnams topologiska laddning (en parameter) kan vi få ljusets lokala spinn och kiralitet att omorganisera sig under fortplantningen."
Det är viktigt att notera att inga speciella material behövs för själva effekten. Spinn och kiralitet uppstår under den fria-rymdens utbredning av en strukturerad ljusstråle-en vektorvirvelstråle, i detta fall.
Vad är en vektorvirvelstråle? "Vektor betyder att polarisationen varierar över strålen, snarare än att vara enhetlig", säger Forbes. "Vortex betyder att strålen bär orbital vinkelmomentum, som är förknippad med en vriden fasfront. Och topologin kommer in via sättet som strålen vrider sig runt sin egen axel. I vårt arbete styrs denna vridning av den topologiska laddningen Pancharatnam, som anger hur strålens fas och polarisering varierar när vi rör oss runt strålen."
Vid startplanet är strålen spin-balanserad. Dess vänstra- och höger-cirkulära komponenter är lika närvarande, så det finns ingen lokal cirkulär polarisering. "Men dessa två komponenter bär olika orbitala strukturer," påpekar Forbes. "När strålen fortplantar sig får de olika Gouy-faser och olika radiella profiler. Detta gör att höger- och vänster-cirkulära komponenter separeras radiellt, vilket ger lokal spinn och optisk kiralitet."
Det är viktigt att notera att inga speciella material behövs för själva effekten. Spinn och kiralitet uppstår under den fria-rymdens utbredning av en strukturerad ljusstråle-en vektorvirvelstråle, i detta fall.
Vad är en vektorvirvelstråle? "Vektor betyder att polarisationen varierar över strålen, snarare än att vara enhetlig", säger Forbes. "Vortex betyder att strålen bär orbital vinkelmomentum, som är förknippad med en vriden fasfront. Och topologin kommer in via sättet som strålen vrider sig runt sin egen axel. I vårt arbete styrs denna vridning av den topologiska laddningen Pancharatnam, som anger hur strålens fas och polarisering varierar när vi rör oss runt strålen."
Vid startplanet är strålen spin-balanserad. Dess vänstra- och höger-cirkulära komponenter är lika närvarande, så det finns ingen lokal cirkulär polarisering. "Men dessa två komponenter bär olika orbitala strukturer," påpekar Forbes. "När strålen fortplantar sig får de olika Gouy-faser och olika radiella profiler. Detta gör att höger- och vänster-cirkulära komponenter separeras radiellt, vilket ger lokal spinn och optisk kiralitet."
Strukturerad ljusfotonik, optisk manipulation, kiral avkänning
Tre av de mest uppenbara tillämpningarna framöver är sannolikt strukturerad ljusfotonik, optisk manipulation och kiral avkänning. En annan potentiell användning är hög-dimensionell fotonisk informationsbehandling, eftersom strålen länkar samman spinn och omloppsrörelsemängd på ett kontrollerbart sätt.
"I princip är vår upptäckt relevant för både klassiskt och kvantstrukturerat ljus, där information kan kodas inom polarisering (snurrande ljus) och rumsliga lägen (twisted light)," säger Nape. "Fotonspin och vridning kan användas som ett alfabet inom ljusa laserstrålar och på en fotonnivå. Varje distinkt tillstånd representerar en annan informationssymbol."
Teamets nuvarande arbete är klassisk optisk fysik, men samma frihetsgrader, spinn, orbital rörelsemängd och rumslig modstruktur används också för kvantfotonik. "Vårt-intresse på längre sikt är om denna typ av topologi-kontrollerad spin-omloppsstruktur kan vara användbar för att förbereda, transformera eller koda hög-dimensionella fotoniska tillstånd", säger Nape.
Därefter planerar forskarna att utforska hur allmän och användbar denna mekanism är. "Vi har visat att Pancharatnams topologiska laddning kan styra spinn och chiralitet för fri-rymdspridning, och nu är frågan hur långt denna kontroll kan skjutas", säger Nape. "Vi är också intresserade av hur det kan användas för informationskodning, optisk manipulation och interaktioner med kiralt ljus-. Vårt bredare mål är att gå från att demonstrera en intressant strukturerad ljuseffekt till att utveckla den som en praktisk designprincip."
