ต้องขอบคุณโทโพโลยี ซึ่งเป็นสาขาวิชาคณิตศาสตร์ที่สำรวจคุณสมบัติของวัตถุทางเรขาคณิตที่ยังคงเหมือนเดิมในขณะที่มีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างอย่างต่อเนื่อง ทีมนักวิทยาศาสตร์ที่นำโดย Isaac Nape จาก University of the Witwatersrand ในแอฟริกาใต้ และ Kayne Forbes จาก University of East Anglia (UEA) ในสหราชอาณาจักรได้ค้นพบวิธีในการเขียนโปรแกรมและควบคุม chirality ของแสง (หรือที่รู้จักในชื่อ ขวา- หรือซ้าย-ถนัดมือ) และหมุน
ในทัศนศาสตร์ ไคราลิตีมักจะสัมพันธ์กับแสงโพลาไรซ์แบบวงกลม (ซึ่งสนามไฟฟ้าจะหมุนตามเข็มนาฬิกาหรือทวนเข็มนาฬิกาในขณะที่แสงเดินทาง)
"งานของเราได้รับแรงบันดาลใจจากคำถามที่ว่าแสงสามารถสร้างและควบคุมความสามารถเฉพาะจุดของตัวเองผ่านการแพร่กระจายหรือไม่-โดยไม่จำเป็นต้องมีส่วนต่อประสานกับวัสดุ พื้นผิวเมตา หรือการโฟกัสที่แคบมาก" Forbes อาจารย์ประจำคณะวิชาเคมี เภสัชศาสตร์ และเภสัชวิทยาของ UEA ซึ่งเขาเป็นผู้นำกลุ่ม-สสารและทฤษฎีนาโนโฟโตนิกส์กล่าว
ปรับแต่งค่าโทโพโลยี
โทโพโลยีเข้ามาทางเฟสและโพลาไรเซชันของลำแสงลมรอบอวกาศ "แสงที่มีโครงสร้างช่วยให้เรานำแนวคิดเหล่านี้มารวมกัน เพื่อที่เราจะได้ออกแบบลำแสงที่มีเฟสและโพลาไรซ์แตกต่างกันไปในทิศทางที่แม่นยำของลำแสง" Forbes อธิบาย "เราสนใจในความเป็นไปได้ที่โทโพโลยีของลำแสงจะทำหน้าที่เป็นปุ่มควบคุมง่ายๆ ด้วยการเปลี่ยนประจุทอพอโลยีของ Pancharatnam (หนึ่งพารามิเตอร์) เราจะทำให้การหมุนรอบตัวและไคราลิตีของแสงในท้องถิ่นจัดระเบียบตัวเองใหม่ระหว่างการแพร่กระจาย"
สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าไม่จำเป็นต้องใช้วัสดุพิเศษใด ๆ ในการสร้างเอฟเฟ็กต์นี้ สปินและไคริลิตีเกิดขึ้นระหว่าง-การแพร่กระจายในอวกาศว่างของลำแสงที่มีโครงสร้าง- ซึ่งเป็นลำแสงเวกเตอร์วอร์เท็กซ์ ในกรณีนี้
คานน้ำวนเวกเตอร์คืออะไร? "เวกเตอร์หมายความว่าโพลาไรเซชันจะแตกต่างกันไปตามลำแสง แทนที่จะเป็นแบบเดียวกัน" Forbes กล่าว "กระแสน้ำวนหมายถึงลำแสงบรรทุกโมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจร ซึ่งสัมพันธ์กับส่วนหน้าของเฟสที่บิดเบี้ยว และโทโพโลยีเข้ามาโดยวิธีที่ลำแสงบิดรอบแกนของมันเอง ในงานของเรา การบิดตัวนี้ถูกควบคุมโดยประจุทอพอโลยีของปัญจรัตนัม ซึ่งกำหนดว่าเฟสของลำแสงและโพลาไรเซชันจะแปรผันอย่างไรเมื่อเราเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ ลำแสง"
ที่ระนาบเริ่มต้น ลำแสงจะหมุน-อย่างสมดุล ส่วนประกอบของวงกลมด้านซ้าย- และด้านขวา-มีอยู่เท่ากัน ดังนั้นจึงไม่มีโพลาไรเซชันแบบวงกลมเฉพาะที่ "แต่องค์ประกอบทั้งสองนี้มีโครงสร้างการโคจรที่แตกต่างกัน" ฟอร์บส์ชี้ให้เห็น "ในขณะที่ลำแสงแพร่กระจาย พวกมันจะมีระยะ Gouy ที่แตกต่างกันและโปรไฟล์แนวรัศมีที่แตกต่างกัน ซึ่งทำให้ส่วนประกอบทรงกลมทางขวา-และซ้าย-แยกจากกันในแนวรัศมี ซึ่งทำให้เกิดสปินเฉพาะที่และไคราลิตีเชิงแสง"
สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าไม่จำเป็นต้องใช้วัสดุพิเศษใด ๆ ในการสร้างเอฟเฟ็กต์นี้ สปินและไคริลิตีเกิดขึ้นระหว่าง-การแพร่กระจายในอวกาศว่างของลำแสงที่มีโครงสร้าง- ซึ่งเป็นลำแสงเวกเตอร์วอร์เท็กซ์ ในกรณีนี้
คานน้ำวนเวกเตอร์คืออะไร? "เวกเตอร์หมายความว่าโพลาไรเซชันจะแตกต่างกันไปตามลำแสง แทนที่จะเป็นแบบเดียวกัน" Forbes กล่าว "กระแสน้ำวนหมายถึงลำแสงบรรทุกโมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจร ซึ่งสัมพันธ์กับส่วนหน้าของเฟสที่บิดเบี้ยว และโทโพโลยีเข้ามาโดยวิธีที่ลำแสงบิดรอบแกนของมันเอง ในงานของเรา การบิดตัวนี้ถูกควบคุมโดยประจุทอพอโลยีของปัญจรัตนัม ซึ่งกำหนดว่าเฟสของลำแสงและโพลาไรเซชันจะแปรผันอย่างไรเมื่อเราเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ ลำแสง"
ที่ระนาบเริ่มต้น ลำแสงจะหมุน-อย่างสมดุล ส่วนประกอบของวงกลมด้านซ้าย- และด้านขวา-มีอยู่เท่ากัน ดังนั้นจึงไม่มีโพลาไรเซชันแบบวงกลมเฉพาะที่ "แต่องค์ประกอบทั้งสองนี้มีโครงสร้างการโคจรที่แตกต่างกัน" ฟอร์บส์ชี้ให้เห็น "ในขณะที่ลำแสงแพร่กระจาย พวกมันจะมีระยะ Gouy ที่แตกต่างกันและโปรไฟล์แนวรัศมีที่แตกต่างกัน ซึ่งทำให้ส่วนประกอบทรงกลมทางขวา-และซ้าย-แยกจากกันในแนวรัศมี ซึ่งทำให้เกิดสปินเฉพาะที่และไคราลิตีเชิงแสง"
โฟโตนิกของแสงที่มีโครงสร้าง การจัดการเชิงแสง การตรวจจับไครัล
การใช้งานที่ชัดเจนที่สุดสามประการข้างหน้า ได้แก่ โฟโตนิกแสงที่มีโครงสร้าง การจัดการเชิงแสง และการตรวจจับไครัล การใช้งานที่เป็นไปได้อีกอย่างหนึ่งคือการประมวลผลข้อมูลโฟโตนิกในมิติสูง- เนื่องจากการเชื่อมโยงลำแสงหมุนและโมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจรในลักษณะที่ควบคุมได้
"โดยหลักการแล้ว การค้นพบของเราเกี่ยวข้องกับแสงทั้งแบบคลาสสิกและแบบควอนตัม ซึ่งข้อมูลสามารถเข้ารหัสได้ภายในโพลาไรเซชัน (แสงหมุน) และโหมดเชิงพื้นที่ (แสงบิด)" Nape กล่าว "การหมุนและบิดของโฟตอนสามารถใช้เป็นตัวอักษรภายในลำแสงเลเซอร์สว่างและในระดับโฟตอนเดียว แต่ละสถานะที่แตกต่างกันแสดงถึงสัญลักษณ์ข้อมูลที่แตกต่างกัน"
งานปัจจุบันของทีมคือฟิสิกส์เชิงแสงคลาสสิก แต่องศาอิสระ การหมุน โมเมนตัมเชิงมุมในวงโคจร และโครงสร้างโหมดเชิงพื้นที่ที่เท่ากันก็ใช้สำหรับโฟโตนิกควอนตัมเช่นกัน "ความสนใจในระยะยาวของเรา-คือโครงสร้างวงโคจร-การหมุนที่ควบคุม-โทโพโลยีนี้จะมีประโยชน์สำหรับการเตรียม การแปลง หรือการเข้ารหัสสถานะโฟโตนิกในมิติสูง-หรือไม่" Nape กล่าว
ต่อไป นักวิจัยวางแผนที่จะสำรวจว่ากลไกนี้มีความทั่วไปและมีประโยชน์เพียงใด "เราได้แสดงให้เห็นว่าประจุทอพอโลยีของ Pancharatnam สามารถควบคุมการหมุนและไคราลิตีสำหรับการแพร่กระจายในอวกาศฟรี- และคำถามก็คือว่าจะสามารถผลักดันการควบคุมนี้ได้ไกลแค่ไหน" Nape กล่าว "เรายังสนใจว่าสามารถนำมาใช้ในการเข้ารหัสข้อมูล การปรับแต่งแสง และการโต้ตอบกับแสงไครัลได้อย่างไร- เป้าหมายที่กว้างขึ้นของเราคือการเปลี่ยนจากการสาธิตเอฟเฟกต์แสงที่มีโครงสร้างที่น่าสนใจ มาเป็นการพัฒนาให้เป็นหลักการออกแบบที่ใช้งานได้จริง"
