Gràcies a la topologia, una branca de les matemàtiques que explora les propietats dels objectes geomètrics que segueixen sent les mateixes mentre pateixen deformacions contínues, un equip de científics dirigit per Isaac Nape de la Universitat de Witwatersrand a Sud-àfrica i Kayne Forbes de la Universitat d'East Anglia (UEA) al Regne Unit va descobrir una manera de programar i controlar la quiralitat de la llum i la quiralitat {-}a dreta o esquerra (aka).
En òptica, la quiralitat s'acostuma a associar amb la llum polaritzada circularment (en la qual el camp elèctric gira en sentit horari o en sentit contrari a mesura que viatja la llum).
"El nostre treball va estar motivat per la qüestió de si la llum pot generar i controlar la seva pròpia manipulació local mitjançant la propagació-sense necessitat d'una interfície de material, una metasuperfície o un enfocament molt ajustat", diu Forbes, professor de l'Escola de Química, Farmàcia i Farmacologia de la UEA, on dirigeix el grup Light-Matter and Nanophotonic.
Ajust de càrrega topològica
La topologia entra a través de la manera com la fase i la polarització d'un feix de llum s'enrotlla al voltant de l'espai. "La llum estructurada ens permet reunir aquestes idees perquè puguem dissenyar feixos la fase i la polarització dels quals varien de manera precisa al llarg del feix", explica Forbes. "Estàvem interessats en la possibilitat que la topologia del feix actués com un simple botó de control. En canviar la càrrega topològica de Pancharatnam (un paràmetre), podem fer que el gir local i la quiralitat de la llum es reorganitzin durant la propagació".
És important tenir en compte que no es necessiten materials especials per a l'efecte en si. El gir i la quiralitat sorgeixen durant la-propagació a l'espai lliure d'un feix de llum estructurat-un feix de vòrtex vectorial, en aquest cas.
Què és un feix de vòrtex vectorial? "El vector significa que la polarització varia a través del feix, en lloc de ser uniforme", diu Forbes. "Vortex significa que el feix porta moment angular orbital, que s'associa amb un front de fase retorçat. I la topologia entra per la manera en què el feix gira al voltant del seu propi eix. En el nostre treball, aquest gir està controlat per la càrrega topològica de Pancharatnam, que estableix com la fase i la polarització del feix varien a mesura que ens movem pel feix".
Al pla inicial, el feix està equilibrat-. Els seus components circulars esquerre- i dret-estan presents per igual, de manera que no hi ha polarització circular local. "Però aquests dos components porten estructures orbitals diferents", assenyala Forbes. "A mesura que el feix es propaga, adquireixen diferents fases de Gouy i diferents perfils radials. Això fa que els components circulars de la dreta- i de l'esquerra-se separen radialment, la qual cosa produeix gir local i quiralitat òptica".
És important tenir en compte que no es necessiten materials especials per a l'efecte en si. El gir i la quiralitat sorgeixen durant la-propagació a l'espai lliure d'un feix de llum estructurat-un feix de vòrtex vectorial, en aquest cas.
Què és un feix de vòrtex vectorial? "El vector significa que la polarització varia a través del feix, en lloc de ser uniforme", diu Forbes. "Vortex significa que el feix porta moment angular orbital, que s'associa amb un front de fase retorçat. I la topologia entra per la manera en què el feix gira al voltant del seu propi eix. En el nostre treball, aquest gir està controlat per la càrrega topològica de Pancharatnam, que estableix com la fase i la polarització del feix varien a mesura que ens movem pel feix".
Al pla inicial, el feix està equilibrat-. Els seus components circulars esquerre- i dret-estan presents per igual, de manera que no hi ha polarització circular local. "Però aquests dos components porten estructures orbitals diferents", assenyala Forbes. "A mesura que el feix es propaga, adquireixen diferents fases de Gouy i diferents perfils radials. Això fa que els components circulars de la dreta- i de l'esquerra-se separen radialment, la qual cosa produeix gir local i quiralitat òptica".
Fotònica de llum estructurada, manipulació òptica, detecció quiral
Tres de les aplicacions més òbvies per endavant són probablement la fotònica de llum estructurada, la manipulació òptica i la detecció quiral. Un altre ús potencial és el processament d'informació fotònica d'alta-dimensionalitat, perquè el feix enllaça el gir i el moment angular orbital d'una manera controlable.
"En principi, el nostre descobriment és rellevant tant per a la llum estructurada clàssica com per a la quàntica, on la informació es pot codificar dins de la polarització (llum giratòria) i els modes espacials (llum retorçada)", diu Nape. "El gir i el gir del foton es poden utilitzar com a alfabet dins de raigs làser brillants i a nivell de fotó únic. Cada estat diferent representa un símbol d'informació diferent".
El treball actual de l'equip és la física òptica clàssica, però també s'utilitzen els mateixos graus de llibertat, gir, moment angular orbital i estructura de mode espacial per a la fotònica quàntica. "El nostre interès-a llarg termini és si aquest tipus d'estructura d'òrbita de gir-controlat de topologia- pot ser útil per preparar, transformar o codificar estats fotònics d'alta-dimensionalitat", diu Nape.
A continuació, els investigadors tenen previst explorar com de general i útil és aquest mecanisme. "Hem demostrat que la càrrega topològica de Pancharatnam pot controlar el gir i la quiralitat per a la propagació-de l'espai lliure, i ara la pregunta és fins a quin punt es pot empènyer aquest control", diu Nape. "També estem interessats en com es pot utilitzar per a la codificació d'informació, la manipulació òptica i les interaccions de la matèria-quiral. El nostre objectiu més ampli és passar de demostrar un efecte de llum estructurat interessant a desenvolupar-lo com a principi de disseny pràctic".
