Forskere snurrer flydende lys ind i tidsperiodisk klynge

Forskere fra Skoltech, Islands Universitet og University of Southampton har demonstreret dannelsen af ​​en mærkelig, aldrig før set entitet fra kvantefysikkens rige:en klynge af optiske hvirvler med periodisk ladningsvending. Grundlæggende undersøgelser af optiske hvirvler har løftet om applikationer inden for optisk mikroskopi, kvantekryptografi, optisk kommunikation med forbedret båndbredde, analog beregning og optisk pincetteknologi. Forskningen blev offentliggjort i Physical Review Letters og med på nummerets forside.

En optisk hvirvel er lys snoet som en spiral omkring sin udbredelsesakse. Projiceret på en flad overflade fremstår den som en ring med en mørk plet i midten. En hvirvel har en såkaldt topologisk ladning, som du kan tænke på som et tal, der angiver, hvor hurtigt den drejer og i hvilken retning.

Den nylige undersøgelse rapporterer, hvordan dens forfattere formåede at inducere fire sådanne hvirvler som en klynge og opdagede, at deres ladninger varierede på en regelmæssig måde, og skiftede med en periode på en femtedel af et nanosekund. Mens optiske hvirvelklynger eller -gitter var blevet observeret før, rapporteres en sådan hurtig ladningsoscillation for første gang.

Hvad gør optiske hvirvler interessante

Optiske hvirvler som sådan tilbyder en spændende mulighed for at overvinde båndbreddebegrænsningen af ​​fiberoptiske kommunikationslinjer. Der er kun så mange transmissionskanaler, du kan pakke i en optisk fiber, hvilket betyder, at der er en grænse for båndbredden. Imidlertid kunne to hvirvler selv ved samme bølgelængde af lys skelnes ved deres ladning, så på en måde optager de forskellige kanaler. Sådan kanal "multiplikation" er kendt som multipleksing.

En anden spændende applikation er optisk pincet. Disse er specielt forberedte laserstråler til at holde eller manipulere mikroskopiske genstande såsom atomer, nanopartikler eller endda biologiske celler. Brugt siden 1980'erne, kunne denne pincetteknologi forbedres ved hjælp af optiske hvirvler, som ville gøre det muligt at fange et objekt i en ring af lys og rotere det takket være hvirvelens roterende natur.

Sådan opretter du en optisk vortex-klynge med periodisk ladningsvending

Eksperimenterne blev udført i Skoltechs Hybrid Photonics Laboratory, ledet af professor Pavlos Lagoudakis, instituttets vicepræsident for fotonik. Hvirvlerne i undersøgelsen blev genereret i et system kendt som microcavity exciton-polaritons.

I eksperimenterne brugte forskerne en halvleder-mikrohulrumsstruktur - to stærkt reflekterende tætsiddende spejle med kvantebrønde klemt ind imellem. Dette muliggør lyslokalisering og stærk vekselvirkning med halvledermediet, hvilket giver anledning til kvasipartikler kaldet polaritoner – koblede tilstande af elektronerne og hullerne i materialet og fotonerne i den indfaldende laserstråle.

"Fangsten var, at vi var nødt til at sikre, at ladningen af ​​hver hvirvel var tilfældig til at begynde med og ville udvikle sig frit i overensstemmelse med kondensatets kvantedynamiske regler. Dette betyder, at systemet spontant selv arrangerer sine hvirvler, hvilket indebærer emergent adfærd. Så vi kunne ikke bare indprente et hvirvelgitter i vores system med en laser, for det ville skabe hvirvler med kendte ladninger og fjerne enhver spontanitet," den første forfatter af papiret, Skoltech Ph.D. studerende Kirill Sitnik, kommenterede.

"Vi exciterede polaritoner med en ringformet laserstråle. Ved den kritiske excitationseffekt lokaliserede nogle af polaritonerne sig inde i en optisk induceret effektiv fælde, der optager en superposition af makroskopiske kvantiserede tilstande med selvarrangerede hvirvler, der oscillerer på en periodisk måde," undersøgelsens PI Pavlos Lagoudakis sagde. + Udforsk yderligere

Forskere bruger siliciumnanopartikler til at visualisere koalescens af kvantiserede hvirvler, der forekommer i superflydende helium