Sürekli deformasyonlara uğrarken aynı kalan geometrik nesnelerin özelliklerini araştıran bir matematik dalı olan topoloji sayesinde, Güney Afrika'daki Witwatersrand Üniversitesi'nden Isaac Nape ve Birleşik Krallık'taki East Anglia Üniversitesi'nden (UEA) Kayne Forbes liderliğindeki bir bilim insanı ekibi, ışığın kiralitesini (diğer adıyla sağ- veya sol- el kullanımı) ve dönüşünü programlamanın ve kontrol etmenin bir yolunu keşfetti.
Optikte kiralite genellikle dairesel polarize ışıkla ilişkilidir (ışık ilerledikçe elektrik alanı saat yönünde veya saat yönünün tersine döner).
UEA Kimya, Eczacılık ve Farmakoloji Okulu'nda öğretim görevlisi olan ve Işık-Madde ve Nanofotonik Teorisi grubuna liderlik eden Forbes, "Çalışmamız, ışığın, materyal bir arayüze, meta yüzeye veya çok sıkı bir odaklanmaya ihtiyaç duymadan,-yayılma yoluyla kendi yerel el kullanımını oluşturup oluşturamayacağı ve kontrol edip edemeyeceği sorusuyla motive edildi" diyor.
Topolojik yük ayarı
Topoloji, uzayda dolaşan bir ışık ışınının fazı ve polarizasyonu yoluyla girer. Forbes şöyle açıklıyor: "Yapılandırılmış ışık, bu fikirleri bir araya getirerek fazı ve polarizasyonu ışın boyunca kesin olarak değişen ışınlar tasarlayabilmemizi sağlıyor." "Işın topolojisinin basit bir kontrol düğmesi gibi davranma olasılığıyla ilgileniyorduk. Pancharatnam topolojik yükünü (bir parametre) değiştirerek, yayılma sırasında ışığın yerel dönüşünü ve kiralitesini yeniden organize edebiliriz."
Etkinin kendisi için hiçbir özel malzemeye ihtiyaç duyulmadığına dikkat etmek önemlidir. Bu durumda, dönüş ve kiralite, yapılandırılmış bir ışık ışınının-bir vektör girdap ışınının serbest-uzay yayılımı sırasında ortaya çıkar.
Vektör girdap ışını nedir? Forbes, "Vektör, polarizasyonun tek tip olmaktan ziyade ışın boyunca değiştiği anlamına gelir" diyor. "Girdap, ışının bükülmüş bir faz cephesiyle ilişkili yörüngesel açısal momentumu taşıdığı anlamına gelir. Ve topoloji, ışının kendi ekseni etrafında bükülme yoluyla girer. Çalışmamızda bu bükülme, biz ışının etrafında hareket ettikçe ışının fazının ve polarizasyonunun nasıl değişeceğini belirleyen Pancharatnam topolojik yükü tarafından kontrol edilir."
Başlangıç düzleminde ışının dönüşü-dengelidir. Sol- ve sağ-dairesel bileşenleri eşit olarak mevcuttur, dolayısıyla yerel dairesel polarizasyon yoktur. Forbes, "Ancak bu iki bileşen farklı yörünge yapıları taşıyor" diye belirtiyor. "Işın yayıldıkça, farklı Gouy fazları ve farklı radyal profiller elde ederler. Bu, sağ- ve sol-el dairesel bileşenlerin radyal olarak ayrılmasını sağlar, bu da yerel dönüş ve optik kiralite üretir."
Etkinin kendisi için hiçbir özel malzemeye ihtiyaç duyulmadığına dikkat etmek önemlidir. Bu durumda, dönüş ve kiralite, yapılandırılmış bir ışık ışınının-bir vektör girdap ışınının serbest-uzay yayılımı sırasında ortaya çıkar.
Vektör girdap ışını nedir? Forbes, "Vektör, polarizasyonun tek tip olmaktan ziyade ışın boyunca değiştiği anlamına gelir" diyor. "Girdap, ışının bükülmüş bir faz cephesiyle ilişkili yörüngesel açısal momentumu taşıdığı anlamına gelir. Ve topoloji, ışının kendi ekseni etrafında bükülme yoluyla girer. Çalışmamızda bu bükülme, biz ışının etrafında hareket ettikçe ışının fazının ve polarizasyonunun nasıl değişeceğini belirleyen Pancharatnam topolojik yükü tarafından kontrol edilir."
Başlangıç düzleminde ışının dönüşü-dengelidir. Sol- ve sağ-dairesel bileşenleri eşit olarak mevcuttur, dolayısıyla yerel dairesel polarizasyon yoktur. Forbes, "Ancak bu iki bileşen farklı yörünge yapıları taşıyor" diye belirtiyor. "Işın yayıldıkça, farklı Gouy fazları ve farklı radyal profiller elde ederler. Bu, sağ- ve sol-el dairesel bileşenlerin radyal olarak ayrılmasını sağlar, bu da yerel dönüş ve optik kiralite üretir."
Yapılandırılmış ışık fotoniği, optik manipülasyon, kiral algılama
Gelecekteki en belirgin uygulamalardan üçü muhtemelen yapılandırılmış ışık fotoniği, optik manipülasyon ve kiral algılamadır. Diğer bir potansiyel kullanım ise yüksek-boyutlu fotonik bilgi işlemedir, çünkü ışın, dönüş ve yörünge açısal momentumunu kontrol edilebilir bir şekilde birbirine bağlar.
Nape, "Prensip olarak keşfimiz, bilginin polarizasyon (dönen ışık) ve uzaysal modlar (bükülmüş ışık) içinde kodlanabildiği hem klasik hem de kuantum yapılı ışıkla ilgilidir" diyor. "Foton dönüşü ve bükülmesi, parlak lazer ışınları içinde ve tek foton seviyesinde bir alfabe olarak kullanılabilir. Her farklı durum, farklı bir bilgi sembolünü temsil eder."
Ekibin mevcut çalışması klasik optik fiziktir ancak aynı serbestlik dereceleri, dönüş, yörüngesel açısal momentum ve uzaysal mod yapısı kuantum fotoniği için de kullanılmaktadır. Nape, "Uzun-vadeli ilgimiz, bu tür topoloji-kontrollü dönüş-yörünge yapısının yüksek-boyutlu fotonik durumları hazırlamak, dönüştürmek veya kodlamak için yararlı olup olamayacağıdır" diyor.
Daha sonra araştırmacılar bu mekanizmanın ne kadar genel ve yararlı olduğunu keşfetmeyi planlıyor. Nape, "Pancharatnam topolojik yükünün, serbest-uzay yayılımı için dönüşü ve kiraliteyi kontrol edebildiğini gösterdik ve şimdi soru, bu kontrolün ne kadar ileri itilebileceğidir" diyor. "Ayrıca bunun bilgi kodlama, optik manipülasyon ve kiral ışık-madde etkileşimleri için nasıl kullanılabileceğiyle de ilgileniyoruz. Daha geniş amacımız ilginç yapılandırılmış bir ışık efekti göstermekten bunu pratik bir tasarım ilkesi olarak geliştirmeye geçmek."
