Optiske hvirvelkrystaller til fotoniske simuleringer af komplekse systemer

Vandhvirvler, røgringe, voldsomme tornadoer og spiralgalakser er alle eksempler på drejninger i væsker, selvom de er meget forskellige fra hinanden. Analoge drejninger, men i lysets rige, er blevet skabt af forskergruppen koordineret af Antonio Ambrosio ved IIT-Istituto Italiano di Tecnologia (Italiensk Institut for Teknologi), i Milano (Italien). Resultaterne, offentliggjort i tidsskriftet Nature Photonics , viser realiseringen af ​​100 lyshvirvler, koblet til at danne en ordnet struktur, en lyskrystal.

Gensidig interaktion mellem lys og nanostrukturerede materialer er fokus for forskningen af ​​Antonio Ambrosio, hovedforsker af forskningslinjen Vectorial Nano-imaging ved IIT i Milano og modtager af ERC Consolidator-projektet "METAmorphoses."

Twisted light generatorer er blevet udviklet i de sidste par år, men de skaber typisk en enkelt hvirvel, der forplanter sig alene i det frie rum. IIT-forskere har i stedet vist, at det er muligt at skabe 100 lyshvirvler, koblet til en ordnet lyskrystal.

Gruppen i Milano omfatter også ph.d. studerende Michael de Oliveira og forskeren Marco Piccardo, også første forfatter af papiret. Deres resultater viser, hvordan en nanostrukturoverflade kan bruges som en maske til samtidig at kontrollere alle parametrene for flere laserstråler, ikke kun deres intensitet. Gruppen viste, at dette er muligt ved at designe en række metasurfaces, dvs. nanostrukturerede optiske enheder, som former lysstrålen i et rum, der er 100 gange tyndere end et menneskehår. De realiserede metaoverflader former lysets bølgefront som en proptrækker, der genererer en optisk hvirvel.

Indsættelse af metasurface-arrayet inde i et laserhulrum, hvor lyset kontinuerligt hopper mellem to spejle, åbner døren til nye egenskaber, såsom selvhelbredelse af en defekt i systemet eller rekonfigurerbarheden af ​​antallet af drejninger, som lyset laver. Sådanne egenskaber er resultatet af interaktionen mellem forskellige hvirvler i krystallen:hver hvirvel er faktisk modelleret af interaktionen med andre hvirvler i et afstembart netværk.

Muligheden for at justere antallet af drejninger efter behov er en unik egenskab ved metasurface-laseren. Selvom enhederne har et fast design og kun kan generere én specifik type optisk hvirvel i frit rum, kan hvirvlernes egenskaber - kendt som deres topologi - når de indsættes i et laserhulrum, ændres ved blot at indstille et hulrumsspejl. Denne funktionalitet kan bruges til dynamisk at modulere lys, hvilket giver nyttig information i drejningerne til optisk kommunikation.

Systemet udviklet i Milano er robust, og det har også potentiale til at behandle information kodet i forskellige koblede systemer, herunder fjerne og enorme galakser. Takket være disse nye resultater er det nu muligt i laboratoriet at simulere komplekse koblede systemer, med rækkefølge ændret af stabile defekter, vanskelige at blive reproduceret ellers, da de involverer enorm skala, som galakser, eller en del af ekstreme hydrodynamiske systemer.

I de næste trin vil forskerne undersøge, hvordan man kan tune styrken af ​​samspillet mellem hvirvlerne og udvide systemet til et endnu større antal hvirvler. + Udforsk yderligere

Ny type metasurface tillader hidtil uset laserkontrol