Завдяки топології, розділу математики, який досліджує властивості геометричних об’єктів, які залишаються незмінними, зазнаючи безперервних деформацій, команда вчених під керівництвом Ісаака Непа з Університету Вітватерсранда в Південній Африці та Кейна Форбса з Університету Східної Англії (UEA) у Великій Британії знайшли спосіб програмувати та контролювати хіральність світла (така ще - чи ліво-) і обертання.
В оптиці хіральність зазвичай асоціюється з циркулярно поляризованим світлом (в якому електричне поле обертається за або проти годинникової стрілки під час проходження світла).
«Нашу роботу спонукало питання про те, чи може світло генерувати й контролювати власну локальну спрямованість через поширення-без потреби в матеріалі, метаповерхні чи дуже жорсткому фокусуванні», — каже Форбс, викладач Школи хімії, фармації та фармакології UEA, де він очолює групу теорії світло-матерії та нанофотоніки.
Топологічна настройка заряду
Топологія входить через те, як фаза та поляризація світлового променя обертається навколо простору. «Структуроване світло дозволяє нам об’єднати ці ідеї, щоб ми могли проектувати промені, фаза та поляризація яких точно змінюються по променю», — пояснює Forbes. «Нас цікавила можливість того, що топологія променя діє як проста ручка керування. Змінюючи топологічний заряд Панчаратнама (один параметр), ми можемо змусити локальне обертання та хіральність світла реорганізуватися під час поширення».
Важливо відзначити, що для самого ефекту не потрібні спеціальні матеріали. Спін і хіральність виникають під час-поширення у вільному просторі структурованого світлового променя-векторного вихрового променя, у цьому випадку.
Що таке векторний вихровий промінь? «Вектор означає, що поляризація змінюється вздовж променя, а не рівномірна», — каже Forbes. «Вихровий промінь означає, що промінь несе орбітальний кутовий момент, який пов’язаний із закрученим фазовим фронтом. І топологія входить через те, як промінь закручується навколо власної осі. У нашій роботі це закручування контролюється топологічним зарядом Панчаратнама, який визначає, як змінюються фаза та поляризація променя під час руху навколо променя».
У початковій площині промінь обертання-збалансовано. Його ліві- та прави-кругові компоненти присутні однаково, тому немає локальної кругової поляризації. «Але ці два компоненти мають різні орбітальні структури», — зазначає Forbes. "Коли промінь поширюється, вони набувають різних фаз Гуі та різних радіальних профілів. Це робить прави- та ліво-кругові компоненти розділеними радіально, що створює локальний спін і оптичну хіральність".
Важливо відзначити, що для самого ефекту не потрібні спеціальні матеріали. Спін і хіральність виникають під час-поширення у вільному просторі структурованого світлового променя-векторного вихрового променя, у цьому випадку.
Що таке векторний вихровий промінь? «Вектор означає, що поляризація змінюється вздовж променя, а не рівномірна», — каже Forbes. «Вихровий промінь означає, що промінь несе орбітальний кутовий момент, який пов’язаний із закрученим фазовим фронтом. І топологія входить через те, як промінь закручується навколо власної осі. У нашій роботі це закручування контролюється топологічним зарядом Панчаратнама, який визначає, як змінюються фаза та поляризація променя під час руху навколо променя».
У початковій площині промінь обертання-збалансовано. Його ліві- та прави-кругові компоненти присутні однаково, тому немає локальної кругової поляризації. «Але ці два компоненти мають різні орбітальні структури», — зазначає Forbes. "Коли промінь поширюється, вони набувають різних фаз Гуі та різних радіальних профілів. Це робить прави- та ліво-кругові компоненти розділеними радіально, що створює локальний спін і оптичну хіральність".
Фотоніка структурованого світла, оптична маніпуляція, хіральне зондування
Три з найбільш очевидних застосувань попереду, ймовірно, структурована світлова фотоніка, оптичні маніпуляції та хіральне зондування. Іншим потенційним використанням є-високомірна фотонна обробка інформації, оскільки промінь керованим чином зв’язує оберт і орбітальний кутовий момент.
«В принципі, наше відкриття має відношення як до класичного, так і до квантового структурованого світла, де інформація може бути закодована в межах поляризації (обертове світло) і просторових режимів (скручене світло)», — говорить Нейп. «Обертання та закручування фотонів можна використовувати як алфавіт у яскравих лазерних променях і на рівні одного фотона. Кожен окремий стан представляє інший інформаційний символ».
Нинішня робота групи — це класична оптична фізика, але ті ж самі ступені свободи, спін, орбітальний кутовий момент і структура просторової моди також використовуються для квантової фотоніки. «Наш довгостроковий -інтерес полягає в тому, чи може ця топологічна-контрольована спін-структура орбіти бути корисною для підготовки, перетворення або кодування високо-вимірних фотонних станів», — каже Нейп.
Далі дослідники планують дослідити, наскільки загальним і корисним є цей механізм. «Ми показали, що топологічний заряд Панчаратнама може контролювати спін і хіральність для вільного-поширення простору, і тепер питання полягає в тому, наскільки цей контроль можна просунути», — каже Нейп. «Ми також зацікавлені в тому, як його можна використовувати для кодування інформації, оптичних маніпуляцій і взаємодії хіральної світло-матерії. Наша ширша мета — перейти від демонстрації цікавого структурованого світлового ефекту до розробки його як практичного принципу проектування».
