Pateicoties topoloģijai, matemātikas nozarei, kas pēta ģeometrisku objektu īpašības, kas paliek nemainīgas, kamēr notiek nepārtrauktas deformācijas, zinātnieku grupa, kuru vadīja Īzaks Naps Vitvotersrandas Universitātē Dienvidāfrikā un Keins Forbss Austrumanglijas Universitātē (UEA) Apvienotajā Karalistē, atklāja veidu, kā programmēt un kontrolēt gaismas hiralitāti (aka }}}} vai kreiso{{5).
Optikā hiralitāte parasti ir saistīta ar cirkulāri polarizētu gaismu (kurā elektriskais lauks griežas vai nu pulksteņrādītāja virzienā, vai pretēji pulksteņrādītāja virzienam, gaismai virzoties).
"Mūsu darbu motivēja jautājums par to, vai gaisma var ģenerēt un kontrolēt savu lokālo lietderību, izplatoties-, bez materiāla saskarnes, metavirsmas vai ļoti ciešas fokusēšanas," saka Forbes, UEA Ķīmijas, farmācijas un farmakoloģijas skolas lektors, kur viņš vada Gaismas{1}}Materijas un nanofotonikas grupu.
Topoloģiskā lādiņa kniebiens
Topoloģija iekļūst gaismas stara vēja fāzē un polarizācijā pa telpu. "Strukturēta gaisma ļauj mums apvienot šīs idejas, lai mēs varētu izstrādāt starus, kuru fāze un polarizācija visā starā precīzi atšķiras," skaidro Forbes. "Mūs interesēja iespēja, ka staru kūļa topoloģija darbosies kā vienkārša vadības poga. Mainot Pančaratnamas topoloģisko lādiņu (vienu parametru), mēs varam likt gaismas lokālajam spinam un hiralitātei pārkārtoties izplatīšanās laikā."
Ir svarīgi atzīmēt, ka pašam efektam nav nepieciešami īpaši materiāli. Šajā gadījumā griešanās un hiralitāte parādās strukturēta gaismas stara brīvas -telpās izplatīšanās laikā-vektora virpuļplānā.
Kas ir vektora virpuļa stars? "Vektors nozīmē, ka polarizācija mainās visā starā, nevis ir vienmērīga," saka Forbes. "Vortex nozīmē, ka staram ir orbītas leņķiskais impulss, kas ir saistīts ar savērptu fāzes priekšpusi. Un topoloģija ienāk caur to, kā stars griežas ap savu asi. Mūsu darbā šo pagriezienu kontrolē Pančaratnamas topoloģiskais lādiņš, kas nosaka, kā mainās stara fāze un polarizācija, pārvietojoties pa staru."
Sākuma plaknē stars ir līdzsvarots-. Tā kreisais- un labais-apļveida komponents ir vienādi, tāpēc nav lokālas apļveida polarizācijas. "Bet šiem diviem komponentiem ir dažādas orbitālās struktūras," norāda Forbes. "Kad stars izplatās, tie iegūst dažādas Gouy fāzes un dažādus radiālos profilus. Tas padara labās puses - un kreiso- apļveida komponentus radiāli atdalot, kas rada lokālu spinu un optisko hiralitāti."
Ir svarīgi atzīmēt, ka pašam efektam nav nepieciešami īpaši materiāli. Šajā gadījumā griešanās un hiralitāte parādās strukturēta gaismas stara brīvas -telpās izplatīšanās laikā-vektora virpuļplānā.
Kas ir vektora virpuļa stars? "Vektors nozīmē, ka polarizācija mainās visā starā, nevis ir vienmērīga," saka Forbes. "Vortex nozīmē, ka staram ir orbītas leņķiskais impulss, kas ir saistīts ar savērptu fāzes priekšpusi. Un topoloģija ienāk caur to, kā stars griežas ap savu asi. Mūsu darbā šo pagriezienu kontrolē Pančaratnamas topoloģiskais lādiņš, kas nosaka, kā mainās stara fāze un polarizācija, pārvietojoties pa staru."
Sākuma plaknē stars ir līdzsvarots-. Tā kreisais- un labais-apļveida komponents ir vienādi, tāpēc nav lokālas apļveida polarizācijas. "Bet šiem diviem komponentiem ir dažādas orbitālās struktūras," norāda Forbes. "Kad stars izplatās, tie iegūst dažādas Gouy fāzes un dažādus radiālos profilus. Tas padara labās puses - un kreiso- apļveida komponentus radiāli atdalot, kas rada lokālu spinu un optisko hiralitāti."
Strukturēta gaismas fotonika, optiskā manipulācija, hirālā sensora
Trīs no acīmredzamākajiem turpmākajiem lietojumiem, iespējams, ir strukturēta gaismas fotonika, optiskās manipulācijas un hirālā sensora. Vēl viens potenciāls izmantošanas veids ir augstas-dimensijas fotoniskās informācijas apstrāde, jo staru kūlis kontrolējami savieno griešanos un orbītas leņķisko impulsu.
"Principā mūsu atklājums attiecas gan uz klasisko, gan kvantu strukturēto gaismu, kur informāciju var kodēt polarizācijas (griešanās gaismas) un telpisko režīmu (savītā gaisma) ietvaros," saka Nape. "Fotonu griešanās un vērpšana var tikt izmantota kā alfabēts spilgti lāzera staros un viena fotona līmenī. Katrs atšķirīgais stāvoklis ir atšķirīgs informācijas simbols."
Komandas pašreizējais darbs ir klasiskā optiskā fizika, taču kvantu fotonikai tiek izmantotas arī tādas pašas brīvības pakāpes, griešanās, orbītas leņķiskais impulss un telpiskā režīma struktūra. "Mūsu ilgtermiņa-intereses ir par to, vai šāda veida topoloģijas-kontrolēta spin-orbītas struktūra var būt noderīga augstas-dimensijas fotonisko stāvokļu sagatavošanai, pārveidošanai vai kodēšanai," saka Nape.
Pēc tam pētnieki plāno izpētīt, cik vispārējs un noderīgs ir šis mehānisms. "Mēs esam parādījuši, ka Pančaratnamas topoloģiskais lādiņš var kontrolēt griešanos un hiralitāti, nodrošinot bezmaksas izplatīšanos telpā, un tagad jautājums ir par to, cik tālu šo vadību var virzīt," saka Nape. "Mūs interesē arī tas, kā to var izmantot informācijas kodēšanai, optiskām manipulācijām un hirālās gaismas -materiālu mijiedarbībai. Mūsu plašākais mērķis ir pāriet no interesantas strukturētas gaismas efekta demonstrēšanas uz to kā praktisku dizaina principu."
