Magnetiserede plasmaer, der vrider lys, kan producere kraftfulde mikroskoper og mere

For at få de ekstremt højopløselige billeder afgørende for at studere nye materialer, mikrober, og mere, forskere bygger ofte mikroskoper baseret på optiske hvirvler. Dannelse af disse små tornadoer af lys udføres ved hjælp af kvarts eller flydende krystaller. Imidlertid, brug af konventionelle materialer til mikroskoper har sine begrænsninger. Når effekten af ​​den optiske hvirvel stiger, materialet brænder bogstaveligt talt op og ødelægges. For at producere de optiske hvirvler, forskere havde brug for en bedre tilgang. De udtænkte en måde at lave optiske hvirvler med 1000 gange mere effekt end tidligere metoder. Deres design bruger stærke, ikke -ensartede magnetfelter til at kontrollere plasmaer, eller ioniserede gasser, at skabe hvirvlerne.

Den nye tilgang, kendt som en plasma q-plade, vil revolutionere kilder til generering af optiske hvirvler. Arbejdet vil påvirke en bred vifte af applikationer. For eksempel, den nye tilgang kunne føre til superopløselig mikroskopi. Det kunne øge båndbredden af ​​optisk fiber og millimeterbølge trådløs kommunikation. Også, den nye tilgang kunne gavne kvantekommunikation med ubrydelig kryptering.

Lys er en rejsebølge af elektriske og magnetiske felter. Vi ved alle, at når en sten kastes i en dam, bølgefronterne danner koncentriske cirkler. For en laserstråle af lys, der bevæger sig ensartet i én retning, bølgefronterne danner parallelle plader med en centralt spids intensitetsprofil. Der findes en anden speciel type lysstråle, kaldet en optisk hvirvel, hvis bølgefronter snor sig og roterer, når den passerer gennem rummet. En optisk hvirvel har roterende bølgefronter og en hul intensitetsprofil. Denne hvirvel kan fange, rotere, og "kontrollere" mikroskopiske partikler eller dråber, derved fungerer som en "optisk skruenøgle", der øger kontrolfleksibiliteten for den "optiske pincet", der kan fange partikler. Udviklingen af ​​denne metode til afkøling og indfangning af partikler vandt 1997 Nobelprisen i fysik. Superopløsningsmikroskoper, med opløsninger, der er mindre end lysets diffraktionsgrænse, kan også bygges ved hjælp af optiske hvirvler (se 2014 Nobelprisen i kemi).

Optiske hvirvler med lav intensitet kan dannes ved hjælp af dobbeltbrydende materialemedier, såsom kvarts eller flydende krystal, som opdeler lys i parallelle og vinkelrette "polarisationer". Imidlertid, brug af konventionelle materialemedier til mikroskoperne har sine begrænsninger. Når intensiteten (kraften) af den optiske hvirvel stiger, materialet brænder bogstaveligt talt op. For at producere højeffekt optiske hvirvler, et hold brugte et plasmamedium. Opgaven med at skabe den nødvendige struktur i plasma er udfordrende, fordi plasma iboende er ustruktureret. Holdets tilgang omgår vanskeligheden ved at skabe struktur ved at indføre anisotropi gennem et magnetfelt. Teamet fastslog, at en ikke-vridende laserstråle, efter forplantning gennem magnetiseret plasma, kan konverteres til en optisk hvirvel. De magnetiserede plasmaer kan manipulere laserbølgefronten og direkte konvertere en højintensiv gaussisk stråle, sige ved en terahertz, ind i en snoet stråle med høj effektivitet.