Dank der Topologie, einem Zweig der Mathematik, der Eigenschaften geometrischer Objekte untersucht, die bei kontinuierlicher Verformung gleich bleiben, hat ein Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Isaac Nape von der University of the Witwatersrand in Südafrika und Kayne Forbes von der University of East Anglia (UEA) im Vereinigten Königreich eine Möglichkeit entdeckt, die Chiralität von Licht (auch bekannt als Rechts--- oder Links---Händigkeit) und den Spin zu programmieren und zu steuern.
In der Optik wird Chiralität normalerweise mit zirkular polarisiertem Licht in Verbindung gebracht (bei dem sich das elektrische Feld während der Ausbreitung des Lichts entweder im oder gegen den Uhrzeigersinn dreht).
„Unsere Arbeit wurde durch die Frage motiviert, ob Licht seine eigene lokale Händigkeit durch Ausbreitung erzeugen und steuern kann,-ohne dass eine Materialschnittstelle, eine Metaoberfläche oder eine sehr enge Fokussierung erforderlich ist“, sagt Forbes, Dozent an der School of Chemistry, Pharmacy, and Pharmacology der UEA, wo er die Gruppe Light-Matter and Nanophotonics Theory leitet.
Topologische Ladungsoptimierung
Die Topologie entsteht durch die Art und Weise, wie sich Phase und Polarisation eines Lichtstrahls durch den Raum winden. „Mit strukturiertem Licht können wir diese Ideen zusammenführen, sodass wir Strahlen entwerfen können, deren Phase und Polarisation über den Strahl hinweg auf präzise Weise variieren“, erklärt Forbes. „Uns interessierte die Möglichkeit, dass die Topologie des Strahls als einfacher Steuerknopf fungiert. Durch Ändern der topologischen Pancharatnam-Ladung (ein Parameter) können wir dafür sorgen, dass sich der lokale Spin und die Chiralität des Lichts während der Ausbreitung neu organisieren.“
Es ist wichtig zu beachten, dass für den Effekt selbst keine besonderen Materialien erforderlich sind. Der Spin und die Chiralität entstehen während der freien -Raumausbreitung eines strukturierten Lichtstrahls-in diesem Fall eines Vektorwirbelstrahls.
Was ist ein Vektorwirbelstrahl? „Vektor bedeutet, dass die Polarisation über den Strahl hinweg variiert und nicht gleichmäßig ist“, sagt Forbes. „Vortex bedeutet, dass der Strahl einen orbitalen Drehimpuls trägt, der mit einer verdrehten Phasenfront verbunden ist. Und die Topologie kommt durch die Art und Weise ins Spiel, wie sich der Strahl um seine eigene Achse dreht. In unserer Arbeit wird diese Drehung durch die topologische Pancharatnam-Ladung gesteuert, die festlegt, wie sich Phase und Polarisation des Strahls ändern, wenn wir uns um den Strahl bewegen.“
Auf der Startebene ist der Strahl spin-ausgeglichen. Seine links- und rechts-zirkularen Komponenten sind gleichermaßen vorhanden, sodass es keine lokale Zirkularpolarisation gibt. „Aber diese beiden Komponenten tragen unterschiedliche Orbitalstrukturen“, betont Forbes. „Während sich der Strahl ausbreitet, nehmen sie unterschiedliche Gouy-Phasen und unterschiedliche radiale Profile an. Dadurch trennen sich die rechts--- und links--zirkulären Komponenten radial, was zu lokalem Spin und optischer Chiralität führt.“
Es ist wichtig zu beachten, dass für den Effekt selbst keine besonderen Materialien erforderlich sind. Der Spin und die Chiralität entstehen während der freien -Raumausbreitung eines strukturierten Lichtstrahls-in diesem Fall eines Vektorwirbelstrahls.
Was ist ein Vektorwirbelstrahl? „Vektor bedeutet, dass die Polarisation über den Strahl hinweg variiert und nicht gleichmäßig ist“, sagt Forbes. „Vortex bedeutet, dass der Strahl einen orbitalen Drehimpuls trägt, der mit einer verdrehten Phasenfront verbunden ist. Und die Topologie kommt durch die Art und Weise ins Spiel, wie sich der Strahl um seine eigene Achse dreht. In unserer Arbeit wird diese Drehung durch die topologische Pancharatnam-Ladung gesteuert, die festlegt, wie sich Phase und Polarisation des Strahls ändern, wenn wir uns um den Strahl bewegen.“
Auf der Startebene ist der Strahl spin-ausgeglichen. Seine links- und rechts-zirkularen Komponenten sind gleichermaßen vorhanden, sodass es keine lokale Zirkularpolarisation gibt. „Aber diese beiden Komponenten tragen unterschiedliche Orbitalstrukturen“, betont Forbes. „Während sich der Strahl ausbreitet, nehmen sie unterschiedliche Gouy-Phasen und unterschiedliche radiale Profile an. Dadurch trennen sich die rechts--- und links--zirkulären Komponenten radial, was zu lokalem Spin und optischer Chiralität führt.“
Strukturierte Lichtphotonik, optische Manipulation, chirale Sensorik
Drei der offensichtlichsten künftigen Anwendungen sind wahrscheinlich strukturierte Lichtphotonik, optische Manipulation und chirale Sensorik. Eine weitere mögliche Anwendung ist die hochdimensionale photonische Informationsverarbeitung, da der Strahl Spin und Bahndrehimpuls auf kontrollierbare Weise verknüpft.
„Im Prinzip ist unsere Entdeckung sowohl für klassisches als auch für quantenstrukturiertes Licht relevant, bei dem Informationen innerhalb der Polarisation (Spinning Light) und räumlicher Modi (Twisted Light) kodiert werden können“, sagt Nape. „Der Spin und die Drehung des Photons können als Alphabet in hellen Laserstrahlen und auf der Ebene einzelner Photonen verwendet werden. Jeder unterschiedliche Zustand stellt ein anderes Informationssymbol dar.“
Die aktuelle Arbeit des Teams ist klassische optische Physik, aber die gleichen Freiheitsgrade, Spin, Bahndrehimpuls und räumliche Modenstruktur werden auch für die Quantenphotonik verwendet. „Unser längerfristiges Interesse ist, ob diese Art von Topologie-kontrollierter Spin-Bahnstruktur für die Vorbereitung, Transformation oder Kodierung hoch{4}dimensionaler photonischer Zustände nützlich sein kann“, sagt Nape.
Als nächstes wollen die Forscher untersuchen, wie allgemein und nützlich dieser Mechanismus ist. „Wir haben gezeigt, dass die topologische Ladung von Pancharatnam Spin und Chiralität für die Ausbreitung im freien Raum steuern kann, und nun stellt sich die Frage, wie weit diese Kontrolle vorangetrieben werden kann“, sagt Nape. „Wir sind auch daran interessiert, wie es zur Informationskodierung, optischen Manipulation und Wechselwirkungen mit chiralem Licht-Materie genutzt werden kann. Unser übergeordnetes Ziel besteht darin, von der Demonstration eines interessanten strukturierten Lichteffekts zur Entwicklung als praktisches Designprinzip überzugehen.“
