Flerfarvede lette snoninger på nye knudrede måder

Omkring seks år, vi begynder at lære at binde vores snørebånd, lave knuder, der ligner bånd - eller muligvis mere komplekse former, hvis vi er lidt klodsede. Vi bruger knuder hver dag, men den type knob, vi generelt bruger, er forbundet med fysiske objekter, ting vi kan røre ved.

Selvom det kan være svært at forestille sig, lys kan også formes på måder, der danner knudrede konfigurationer, hvis form afhænger af lysets kredsløbsvinkelmoment. Denne parameter er ansvarlig for at få lysstrålen til at dreje rundt om sin egen akse, generere forskellige knudeformer, og udvide til en ny grad af frihed, der kan bære værdifuld information.

At lære og mestre, hvordan man genererer snoet lys - lys med kredsløbsvinkelmomentum - har været et blomstrende studieområde i de sidste 20 år. I modsætning til spin vinkelmomentum, som er forbundet med polarisering af lys, orbital vinkelmomentum er forbundet med den rumlige fordeling af det elektriske felt. Disse to typer vinkelmoment kan også kobles, hvilket resulterer i en række forskellige lysfelter af forskellige former med polariseringer, der skifter fra punkt til punkt.

Lysets adfærd bliver også rigere, når det går fra at oscillere ved en enkelt frekvens (monokromatisk lys) til at vibrere ved mange forskellige frekvenser. Dette introducerer en bred vifte af polarisationstilstande, hver beskriver en form, der kan spores af lysets elektriske felt over tid. Ved at kombinere dette bredere rum af muligheder med de rumlige variationer produceret af det orbitale vinkelmoment, skulle der skabes endnu mere plads til interessante forbindelser, men indtil nu har dette været en ukendt grænse:mens der er en stor mængde forskning om struktureret lys, det har i det væsentlige været fokuseret på enkeltfarvede felter.

I en nylig undersøgelse, udgivet i to artikler, fælles samarbejder mellem ICFO-forskere har brudt teoretisk og eksperimentel terræn på dette nye felt, afdækning af nye typer knuder til snoet lys og en ny type vinkelmoment.

I det første papir, udgivet i Naturfotonik , ICFO-forskere Emilio Pisanty, Gerard Jiménez Machado, Veronica Vicuña Hernández, Antonio Picón og Alessio Celi, ledet af ICREA Prof. ved ICFO Maciej Lewenstein og UPC Prof. ved ICFO Juan P. Torres, har designet en lysstråle med en polarisationstilstand, der danner tre-fligede trekløver ved hvert punkt, ved at kombinere lys af forskellige frekvenser (w og 2w), og få trekløverne til at forbinde til hinanden på en måde, så lysstrålen, som en helhed, har form som en knude.

Disse bjælker udviser også en ny form for vinkelmoment, forbundet med den usædvanlige symmetri af bjælkerne, som forbliver invariante under rotationer - men kun når polariseringen roteres med en specifik brøkdel af rotationen af ​​den rumlige afhængighed. De kaldte denne nye størrelse torus-knudes vinkelmomentum, på grund af typen af ​​knude i bjælkerne.

Forskerne implementerede også disse stråler eksperimentelt, bruge ikke-lineære krystaller til at generere strålerne, og de designede et ikke-lineært polarisationstomografiskema til at måle trefoil-formerne sporet af det elektriske felt. Deres målinger viser tilstedeværelsen af ​​en ny type optisk singularitet, som er topologisk beskyttet og robust mod forstyrrelser, forårsaget af den forskellige orientering af polarisationstrækbladene på forskellige punkter omkring et cirkulært polariseret center.

I det andet papir, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , ICFO-forskerne Emilio Pisanty og Antonio Picón, ledet af ICREA professor ved ICFO Maciej Lewenstein, i samarbejde med forskere fra Laser Applications and Photonics-gruppen ved University of Salamanca og fra CU Boulder, vise, at denne nye optiske singularitet kan anvendes på ikke-lineær optik, selv ved de højintensive ekstremer og i ikke-perturbative situationer.

Der viser de, gennem teoretiske simuleringer, at de højordens harmoniske produceret af torus-knude-strålerne ved ultrahøje intensiteter bevarer den koordinerede symmetri af den drivende laser, danner snoede spiraler af ultrakorte lysimpulser, og at torus-knude vinkelmomentet bevares i interaktionen. Denne nye symmetri er afgørende for at forstå produktionen af ​​formet lys ved meget korte bølgelængder, som kan bruges til nye anvendelser inden for mikroskopi, litografi og spektroskopi.

Resultaterne af begge undersøgelser giver nye rammer og resultater, der fremmer studiet af struktureret lys og ikke-lineær optik. På den ene side, forskerne var i stand til at finde nye bevarelseslove for ikke-lineær optik, som holder selv i ekstreme situationer, hvor titusinder eller hundredvis af fotoner bliver kombineret til at danne enkelt højfrekvente fotoner. På den anden, de analyserede de drivende felter, der gør dette muligt, og viste, at de indeholder en ny optisk singularitet, med en ny grad af frihed, der kunne bruges til at opbevare værdifuld information, åbner muligheden for at bruge disse nye lystopologier til fremtidige kommunikationsapplikationer, blandt andre.