Grazie alla topologia, una branca della matematica che esplora le proprietà degli oggetti geometrici che rimangono gli stessi pur subendo continue deformazioni, un team di scienziati guidati da Isaac Nape dell'Università di Witwatersrand in Sud Africa e Kayne Forbes dell'Università di East Anglia (UEA) nel Regno Unito ha scoperto un modo per programmare e controllare la chiralità della luce (ovvero la mano destra- o la mano sinistra-) e la rotazione.
In ottica, la chiralità è solitamente associata alla luce polarizzata circolarmente (in cui il campo elettrico ruota in senso orario o antiorario mentre la luce viaggia).
"Il nostro lavoro è stato motivato dalla questione se la luce possa generare e controllare la propria manualità locale attraverso la propagazione-senza bisogno di un'interfaccia materiale, una metasuperficie o una messa a fuoco molto stretta", afferma Forbes, docente presso la Scuola di Chimica, Farmacia e Farmacologia dell'UEA, dove guida il gruppo di Teoria della-materia e della nanofotonica della luce.
Modifica della carica topologica
La topologia entra in gioco attraverso il modo in cui la fase e la polarizzazione di un fascio di luce si snodano nello spazio. "La luce strutturata ci consente di riunire queste idee in modo da poter progettare fasci la cui fase e polarizzazione variano in modi precisi attraverso il fascio", spiega Forbes. "Eravamo interessati alla possibilità che la topologia del fascio agisse come una semplice manopola di controllo. Modificando la carica topologica del Pancharatnam (un parametro), possiamo far sì che la rotazione locale e la chiralità della luce si riorganizzino durante la propagazione."
È importante notare che non sono necessari materiali speciali per l'effetto stesso. Lo spin e la chiralità emergono durante la-propagazione nello spazio libero di un raggio di luce strutturato-un raggio di vortice vettoriale, in questo caso.
Cos'è un raggio di vortice vettoriale? "Vettore significa che la polarizzazione varia attraverso il fascio, anziché essere uniforme", afferma Forbes. "Vortice significa che il raggio trasporta momento angolare orbitale, che è associato a un fronte di fase ritorto. E la topologia entra attraverso il modo in cui il raggio ruota attorno al proprio asse. Nel nostro lavoro, questa torsione è controllata dalla carica topologica di Pancharatnam, che stabilisce come variano la fase e la polarizzazione del raggio mentre ci muoviamo attorno al raggio."
Sul piano iniziale, la trave è bilanciata in rotazione-. Le sue componenti circolari sinistra- e destra-sono presenti equamente, quindi non c'è polarizzazione circolare locale. "Ma questi due componenti portano strutture orbitali diverse", sottolinea Forbes. "Mentre il raggio si propaga, acquisisce diverse fasi di Gouy e diversi profili radiali. Ciò fa sì che i componenti circolari destri- e mancini-si separino radialmente, producendo rotazione locale e chiralità ottica."
È importante notare che non sono necessari materiali speciali per l'effetto stesso. Lo spin e la chiralità emergono durante la-propagazione nello spazio libero di un raggio di luce strutturato-un raggio di vortice vettoriale, in questo caso.
Cos'è un raggio di vortice vettoriale? "Vettore significa che la polarizzazione varia attraverso il fascio, anziché essere uniforme", afferma Forbes. "Vortice significa che il raggio trasporta momento angolare orbitale, che è associato a un fronte di fase ritorto. E la topologia entra attraverso il modo in cui il raggio ruota attorno al proprio asse. Nel nostro lavoro, questa torsione è controllata dalla carica topologica di Pancharatnam, che stabilisce come variano la fase e la polarizzazione del raggio mentre ci muoviamo attorno al raggio."
Sul piano iniziale, la trave è bilanciata in rotazione-. Le sue componenti circolari sinistra- e destra-sono presenti equamente, quindi non c'è polarizzazione circolare locale. "Ma questi due componenti portano strutture orbitali diverse", sottolinea Forbes. "Mentre il raggio si propaga, acquisisce diverse fasi di Gouy e diversi profili radiali. Ciò fa sì che i componenti circolari destri- e mancini-si separino radialmente, producendo rotazione locale e chiralità ottica."
Fotonica della luce strutturata, manipolazione ottica, rilevamento chirale
Tre delle applicazioni più ovvie a venire sono probabilmente la fotonica a luce strutturata, la manipolazione ottica e il rilevamento chirale. Un altro potenziale utilizzo è l'elaborazione delle informazioni fotoniche ad alta-dimensionalità, poiché il raggio collega lo spin e il momento angolare orbitale in modo controllabile.
"In linea di principio, la nostra scoperta è rilevante sia per la luce strutturata classica che per quella quantistica, dove le informazioni possono essere codificate all'interno della polarizzazione (luce rotante) e delle modalità spaziali (luce distorta)", afferma Nape. "La rotazione e la torsione del fotone possono essere utilizzate come un alfabeto all'interno dei raggi laser luminosi e al livello del singolo fotone. Ogni stato distinto rappresenta un diverso simbolo di informazione."
Il lavoro attuale del team riguarda la fisica ottica classica, ma gli stessi gradi di libertà, rotazione, momento angolare orbitale e struttura della modalità spaziale vengono utilizzati anche per la fotonica quantistica. "Il nostro interesse a lungo termine- è se questo tipo di struttura di orbita-di rotazione controllata-dalla topologia possa essere utile per preparare, trasformare o codificare stati fotonici ad alta-dimensionalità", afferma Nape.
Successivamente, i ricercatori intendono esplorare quanto generale e utile sia questo meccanismo. "Abbiamo dimostrato che la carica topologica di Pancharatnam può controllare lo spin e la chiralità per la propagazione-nello spazio libero, e ora la domanda è fino a che punto si può spingere questo controllo", afferma Nape. "Siamo anche interessati a come possa essere utilizzato per la codifica delle informazioni, la manipolazione ottica e le interazioni tra luce chirale-materia. Il nostro obiettivo più ampio è passare dalla dimostrazione di un interessante effetto di luce strutturata allo sviluppo di un principio di progettazione pratico."
