Terima kasih kepada topologi, cabang matematik yang meneroka sifat objek geometri yang kekal sama semasa mengalami ubah bentuk berterusan, sepasukan saintis yang diketuai oleh Isaac Nape di University of the Witwatersrand di Afrika Selatan dan Kayne Forbes di University of East Anglia (UEA) di UK menemui cara untuk memprogram dan mengawal kiraliti cahaya (akahan-} atau kiri.
Dalam optik, kiraliti biasanya dikaitkan dengan cahaya terkutub bulat (di mana medan elektrik berputar sama ada mengikut arah jam atau lawan jam semasa cahaya bergerak).
"Kerja kami didorong oleh persoalan sama ada cahaya boleh menjana dan mengawal tangan tempatannya sendiri melalui penyebaran-tanpa memerlukan antara muka material, permukaan meta atau pemfokusan yang sangat ketat," kata Forbes, pensyarah di Sekolah Kimia, Farmasi dan Farmakologi UEA, di mana beliau mengetuai kumpulan Light-Matter and Nanophotonics The.
Tweak caj topologi
Topologi masuk melalui cara fasa dan polarisasi angin pancaran cahaya di sekeliling ruang. "Cahaya berstruktur membolehkan kami menyatukan idea ini supaya kami boleh mereka bentuk rasuk yang fasa dan polarisasinya berbeza-beza mengikut cara yang tepat merentas rasuk," jelas Forbes. "Kami berminat dengan kemungkinan topologi rasuk bertindak sebagai tombol kawalan mudah. Dengan menukar caj topologi Pancharatnam (satu parameter), kami boleh membuat putaran tempatan dan kiraliti cahaya menyusun semula diri mereka semasa perambatan."
Adalah penting untuk ambil perhatian bahawa tiada bahan khas diperlukan untuk kesan itu sendiri. Putaran dan kiraliti muncul semasa-perambatan ruang bebas bagi pancaran cahaya berstruktur-pancaran pusaran vektor, dalam kes ini.
Apakah rasuk pusaran vektor? "Vektor bermakna polarisasi berbeza merentasi rasuk, dan bukannya seragam," kata Forbes. "Vortex bermaksud rasuk membawa momentum sudut orbit, yang dikaitkan dengan hadapan fasa terpiuh. Dan topologi masuk melalui cara rasuk berpusing di sekeliling paksinya sendiri. Dalam kerja kami, putaran ini dikawal oleh cas topologi Pancharatnam, yang menetapkan cara fasa rasuk dan polarisasi berbeza semasa kita bergerak mengelilingi rasuk."
Pada satah permulaan, rasuk diputar-seimbang. Komponen bulat kiri- dan kanannya-hadir sama, jadi tiada polarisasi bulatan setempat. "Tetapi kedua-dua komponen ini membawa struktur orbit yang berbeza, " kata Forbes. "Apabila rasuk merambat, ia memperoleh fasa Gouy yang berbeza dan profil jejari yang berbeza. Ini menjadikan komponen bulatan- kanan dan kiri-berpisah secara jejari, yang menghasilkan putaran tempatan dan kiraliti optik."
Adalah penting untuk ambil perhatian bahawa tiada bahan khas diperlukan untuk kesan itu sendiri. Putaran dan kiraliti muncul semasa-perambatan ruang bebas bagi pancaran cahaya berstruktur-pancaran pusaran vektor, dalam kes ini.
Apakah rasuk pusaran vektor? "Vektor bermakna polarisasi berbeza merentasi rasuk, dan bukannya seragam," kata Forbes. "Vortex bermaksud rasuk membawa momentum sudut orbit, yang dikaitkan dengan hadapan fasa terpiuh. Dan topologi masuk melalui cara rasuk berpusing di sekeliling paksinya sendiri. Dalam kerja kami, putaran ini dikawal oleh cas topologi Pancharatnam, yang menetapkan cara fasa rasuk dan polarisasi berbeza semasa kita bergerak mengelilingi rasuk."
Pada satah permulaan, rasuk diputar-seimbang. Komponen bulat kiri- dan kanannya-hadir sama, jadi tiada polarisasi bulatan setempat. "Tetapi kedua-dua komponen ini membawa struktur orbit yang berbeza, " kata Forbes. "Apabila rasuk merambat, ia memperoleh fasa Gouy yang berbeza dan profil jejari yang berbeza. Ini menjadikan komponen bulatan- kanan dan kiri-berpisah secara jejari, yang menghasilkan putaran tempatan dan kiraliti optik."
Fotonik cahaya berstruktur, manipulasi optik, penderiaan kiral
Tiga daripada aplikasi yang paling jelas di hadapan adalah mungkin fotonik cahaya berstruktur, manipulasi optik dan penderiaan kiral. Satu lagi potensi penggunaan ialah pemprosesan maklumat fotonik berdimensi tinggi- kerana pautan rasuk berputar dan momentum sudut orbit dengan cara yang boleh dikawal.
"Secara prinsipnya, penemuan kami adalah berkaitan dengan cahaya berstruktur klasik dan kuantum, di mana maklumat boleh dikodkan dalam mod polarisasi (cahaya berputar) dan spatial (cahaya berpintal)," kata Nape. "Putaran dan pintal foton boleh digunakan sebagai abjad dalam pancaran laser terang dan pada tahap foton tunggal. Setiap keadaan yang berbeza mewakili simbol maklumat yang berbeza."
Kerja pasukan sekarang ialah fizik optik klasik, tetapi darjah kebebasan, putaran, momentum sudut orbit dan struktur mod spatial yang sama juga digunakan untuk fotonik kuantum. "Minat jangka panjang-kami ialah sama ada struktur orbit-putaran terkawal{3}}topologi ini boleh berguna untuk menyediakan, mengubah atau mengekod keadaan fotonik berdimensi tinggi-," kata Nape.
Seterusnya, penyelidik merancang untuk meneroka betapa umum dan berguna mekanisme ini. "Kami telah menunjukkan cas topologi Pancharatnam boleh mengawal putaran dan kiraliti secara percuma-perambatan ruang, dan kini persoalannya ialah sejauh mana kawalan ini boleh ditolak," kata Nape. "Kami juga berminat dengan cara ia boleh digunakan untuk pengekodan maklumat, manipulasi optik dan interaksi jirim cahaya kiral-. Matlamat kami yang lebih luas ialah untuk beralih daripada menunjukkan kesan cahaya berstruktur yang menarik kepada membangunkannya sebagai prinsip reka bentuk praktikal."
