Díky topologii, oboru matematiky, který zkoumá vlastnosti geometrických objektů, které zůstávají stejné, zatímco procházejí neustálými deformacemi, objevil tým vědců vedený Isaacem Napeem z University of the Witwatersrand v Jižní Africe a Kaynem Forbesem z University of East Anglia (UEA) ve Spojeném království způsob, jak programovat a ovládat chiralitu světla (aka pravou-} nebo levotočivou-).
V optice je chiralita obvykle spojena s kruhově polarizovaným světlem (ve kterém se elektrické pole otáčí buď ve směru hodinových ručiček nebo proti směru hodinových ručiček, jak se světlo pohybuje).
„Naše práce byla motivována otázkou, zda světlo může generovat a ovládat svou vlastní místní přenosnost prostřednictvím šíření-bez potřeby materiálového rozhraní, metapovrchu nebo velmi těsného zaostření,“ říká Forbes, přednášející na Škole chemie, farmacie a farmakologie UEA, kde vede skupinu Light{1}}Matter and Nanonics Theory.
Vyladění topologického náboje
Topologie vstupuje přes způsob, jakým se fáze a polarizace světelného paprsku točí kolem vesmíru. „Strukturované světlo nám umožňuje spojit tyto myšlenky dohromady, abychom mohli navrhnout paprsky, jejichž fáze a polarizace se přesným způsobem mění v celém paprsku,“ vysvětluje Forbes. "Zajímala nás možnost, že topologie paprsku funguje jako jednoduchý ovládací knoflík. Změnou pancharatnamského topologického náboje (jeden parametr) můžeme přimět místní spin a chiralitu světla, aby se během šíření samy reorganizovaly."
Je důležité si uvědomit, že pro samotný efekt nejsou potřeba žádné speciální materiály. Spin a chiralita se objevují během volného-šíření strukturovaného světelného paprsku-vektorového vírového paprsku, v tomto případě.
Co je to vektorový vířivý paprsek? "Vektor znamená, že polarizace se mění napříč paprskem, spíše než aby byla jednotná," říká Forbes. "Vortex znamená, že paprsek nese orbitální moment hybnosti, který je spojen se zkroucenou fázovou frontou. A topologie vstupuje způsobem, jakým se paprsek otáčí kolem své vlastní osy. V naší práci je toto zkroucení řízeno topologickým nábojem Pancharatnam, který určuje, jak se mění fáze a polarizace paprsku, když se pohybujeme kolem paprsku."
V počáteční rovině je paprsek rot{0}}vyvážený. Jeho levá- a pravá-kruhová složka jsou přítomny rovnoměrně, takže nedochází k místní kruhové polarizaci. "Ale tyto dvě složky nesou různé orbitální struktury," zdůrazňuje Forbes. "Jak se paprsek šíří, získávají různé Gouyovy fáze a různé radiální profily. Díky tomu se pravotočivá a levotočivá kruhová složka radiálně oddělují, což vytváří místní spin a optickou chiralitu."
Je důležité si uvědomit, že pro samotný efekt nejsou potřeba žádné speciální materiály. Spin a chiralita se objevují během volného-šíření strukturovaného světelného paprsku-vektorového vírového paprsku, v tomto případě.
Co je to vektorový vířivý paprsek? "Vektor znamená, že polarizace se mění napříč paprskem, spíše než aby byla jednotná," říká Forbes. "Vortex znamená, že paprsek nese orbitální moment hybnosti, který je spojen se zkroucenou fázovou frontou. A topologie vstupuje způsobem, jakým se paprsek otáčí kolem své vlastní osy. V naší práci je toto zkroucení řízeno topologickým nábojem Pancharatnam, který určuje, jak se mění fáze a polarizace paprsku, když se pohybujeme kolem paprsku."
V počáteční rovině je paprsek rot{0}}vyvážený. Jeho levá- a pravá-kruhová složka jsou přítomny rovnoměrně, takže nedochází k místní kruhové polarizaci. "Ale tyto dvě složky nesou různé orbitální struktury," zdůrazňuje Forbes. "Jak se paprsek šíří, získávají různé Gouyovy fáze a různé radiální profily. Díky tomu se pravotočivá a levotočivá kruhová složka radiálně oddělují, což vytváří místní spin a optickou chiralitu."
Fotonika strukturovaného světla, optická manipulace, chirální snímání
Tři z nejzřejmějších aplikací před námi jsou pravděpodobně strukturovaná světelná fotonika, optická manipulace a chirální snímání. Dalším potenciálním využitím je vysoko-dimenzionální zpracování fotonických informací, protože paprsek spojuje rotaci a orbitální moment hybnosti ovladatelným způsobem.
"Náš objev je v zásadě relevantní jak pro klasické, tak pro kvantově strukturované světlo, kde lze informace zakódovat v polarizačních (otočné světlo) a prostorových režimech (twisted light)," říká Nape. "Spin a twist fotonů lze použít jako abecedu v rámci jasných laserových paprsků a na úrovni jednoho fotonu. Každý odlišný stav představuje jiný informační symbol."
Současnou prací týmu je klasická optická fyzika, ale stejné stupně volnosti, rotace, orbitálního momentu hybnosti a struktury prostorového módu se používají také pro kvantovou fotoniku. „Naším dlouhodobějším-zájmem je, zda tento druh topologie-řízené rotace-orbitální struktury může být užitečný pro přípravu, transformaci nebo kódování vysoko-dimenzionálních fotonických stavů,“ říká Nape.
Dále vědci plánují prozkoumat, jak obecný a užitečný je tento mechanismus. „Ukázali jsme, že topologický náboj Pancharatnam může řídit rotaci a chiralitu pro volné šíření-prostorem, a nyní je otázkou, jak daleko lze toto řízení posunout,“ říká Nape. "Také nás zajímá, jak se dá použít pro kódování informací, optickou manipulaci a interakce chirální světelné-hmoty. Naším širším cílem je přejít od předvádění zajímavého strukturovaného světelného efektu k jeho rozvinutí jako praktického principu návrhu."
