Захваљујући топологији, грани математике која истражује својства геометријских објеката који остају исти док пролазе кроз континуиране деформације, тим научника предвођен Исаком Нејпом са Универзитета Витватерсранд у Јужној Африци и Кејном Форбсом са Универзитета Источне Англије (УЕА) у УК открио је начин да програмира и контролише киралност леве или десне{56} светлости ({56}) спин.
У оптици, киралност је обично повезана са кружно поларизованом светлошћу (у којој се електрично поље ротира у смеру казаљке на сату или супротно од казаљке на сату док светлост путује).
„Наш рад је био мотивисан питањем да ли светлост може да генерише и контролише сопствену локалну преданост путем ширења-без потребе за материјалним интерфејсом, метаповршином или веома чврстим фокусирањем“, каже Форбс, предавач на УЕА школи за хемију, фармацију и фармакологију, где води групу Матон Лигхт{{1}
Тополошко подешавање набоја
Топологија улази кроз начин на који фаза и поларизација светлосног снопа вијуга око простора. „Структурисано светло нам омогућава да спојимо ове идеје како бисмо могли да дизајнирамо зраке чија фаза и поларизација варирају на прецизне начине широм зрака“, објашњава Форбс. „Били смо заинтересовани за могућност да топологија зрака делује као једноставно контролно дугме. Променом Панцхаратнам тополошког набоја (један параметар), можемо учинити да се локални спин и киралност светлости реорганизују током ширења.“
Важно је напоменути да за сам ефекат нису потребни посебни материјали. Спин и киралност се јављају током слободног-просторног ширења структурираног светлосног зрака-векторског вртложног зрака, у овом случају.
Шта је векторски вртложни сноп? „Вектор значи да поларизација варира по снопу, а не да је уједначена“, каже Форбс. „Вортекс значи да сноп носи орбитални угаони момент, који је повезан са уврнутим фазним фронтом. А топологија улази путем начина на који се сноп увија око сопствене осе. У нашем раду, овај увијање контролише Панцхаратнам тополошки набој, који одређује како се фаза и поларизација зрака мењају док се крећемо око снопа.“
У почетној равни, сноп је{0}}уравнотежен. Његова лева- и десна-кружна компонента су подједнако присутне, тако да нема локалне кружне поларизације. „Али ове две компоненте носе различите орбиталне структуре“, истиче Форбс. „Како се сноп шири, они добијају различите Гоуи фазе и различите радијалне профиле. Ово чини да се десно{7}} и лево- кружне компоненте раздвајају радијално, што производи локални спин и оптичку хиралност.“
Важно је напоменути да за сам ефекат нису потребни посебни материјали. Спин и киралност се јављају током слободног-просторног ширења структурираног светлосног зрака-векторског вртложног зрака, у овом случају.
Шта је векторски вртложни сноп? „Вектор значи да поларизација варира по снопу, а не да је уједначена“, каже Форбс. „Вортекс значи да сноп носи орбитални угаони момент, који је повезан са уврнутим фазним фронтом. А топологија улази путем начина на који се сноп увија око сопствене осе. У нашем раду, овај увијање контролише Панцхаратнам тополошки набој, који одређује како се фаза и поларизација зрака мењају док се крећемо око снопа.“
У почетној равни, сноп је{0}}уравнотежен. Његова лева- и десна-кружна компонента су подједнако присутне, тако да нема локалне кружне поларизације. „Али ове две компоненте носе различите орбиталне структуре“, истиче Форбс. „Како се сноп шири, они добијају различите Гоуи фазе и различите радијалне профиле. Ово чини да се десно{7}} и лево- кружне компоненте раздвајају радијално, што производи локални спин и оптичку хиралност.“
Фотоника структурисане светлости, оптичка манипулација, хирално сенсинг
Три најочигледније апликације које предстоје су вероватно структурисана фотоника светлости, оптичка манипулација и хирално сенсинг. Друга потенцијална употреба је високо{1}}димензионална фотонска обрада информација, јер сноп повезује спин и орбитални угаони момент на начин који се може контролисати.
„У принципу, наше откриће је релевантно и за класично и за квантно структурирано светло, где се информације могу кодирати унутар поларизације (ротирајућа светлост) и просторних модова (уврнута светлост)“, каже Нејп. "Окретање и окретање фотона се могу користити као абецеда у оквиру светлих ласерских зрака и на нивоу једног фотона. Свако посебно стање представља другачији симбол информација."
Садашњи рад тима је класична оптичка физика, али исти степени слободе, спин, орбитални угаони момент и структура просторног мода се такође користе за квантну фотонику. „Наш-дугорочни интерес је да ли ова врста структуре орбите-контролисане топологијом- може бити корисна за припрему, трансформацију или кодирање високо{4}}димензионалних фотоничких стања“, каже Нејп.
Затим, истраживачи планирају да истраже колико је овај механизам уопштен и користан. „Показали смо да Панцхаратнам тополошки набој може да контролише спин и киралност за бесплатно-просторно ширење, а сада је питање докле се ова контрола може померити“, каже Нејп. „Такође нас занима како се може користити за кодирање информација, оптичку манипулацију и интеракције киралне светлосне-материје. Наш шири циљ је да пређемо са демонстрације занимљивог структурираног светлосног ефекта на развој као практичног принципа дизајна.“
