Nhờ cấu trúc liên kết, một nhánh toán học khám phá các đặc tính của các vật thể hình học không thay đổi trong khi trải qua các biến dạng liên tục, một nhóm các nhà khoa học do Isaac Nape tại Đại học Witwatersrand ở Nam Phi và Kayne Forbes tại Đại học East Anglia (UEA) ở Anh dẫn đầu đã phát hiện ra cách lập trình và kiểm soát chirality của ánh sáng (hay còn gọi là thuận tay phải- hoặc trái-) và quay.
Trong quang học, chirality thường gắn liền với ánh sáng phân cực tròn (trong đó điện trường quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ khi ánh sáng truyền đi).
Forbes, giảng viên tại Trường Hóa học, Dược phẩm và Dược học của UEA, nơi ông lãnh đạo nhóm Lý thuyết Vật chất và Quang tử nano ánh sáng, cho biết: "Công việc của chúng tôi được thúc đẩy bởi câu hỏi liệu ánh sáng có thể tạo ra và kiểm soát sự thuận tay cục bộ của chính nó thông qua quá trình truyền lan-mà không cần giao diện vật chất, siêu bề mặt hay tiêu điểm rất chặt chẽ hay không".
Tinh chỉnh điện tích tôpô
Cấu trúc liên kết đi vào thông qua cách pha và phân cực của chùm ánh sáng di chuyển quanh không gian. Forbes giải thích: “Ánh sáng có cấu trúc cho phép chúng tôi tập hợp những ý tưởng này lại với nhau để có thể thiết kế các chùm tia có pha và độ phân cực thay đổi theo những cách chính xác trên chùm tia”. “Chúng tôi quan tâm đến khả năng cấu trúc liên kết của chùm tia hoạt động như một núm điều khiển đơn giản. Bằng cách thay đổi điện tích cấu trúc liên kết Pancharatnam (một tham số), chúng tôi có thể làm cho spin cục bộ và độ đối xứng của ánh sáng tự tổ chức lại trong quá trình truyền.”
Điều quan trọng cần lưu ý là không cần vật liệu đặc biệt nào cho hiệu ứng này. Trong trường hợp này, spin và chirality xuất hiện trong quá trình truyền-không gian tự do của chùm ánh sáng có cấu trúc-chùm tia xoáy vectơ.
Chùm tia xoáy vector là gì? Forbes cho biết: “Vectơ có nghĩa là độ phân cực thay đổi trên toàn bộ chùm tia, thay vì đồng đều”. "Vortex có nghĩa là chùm tia mang xung lượng góc quỹ đạo, liên kết với một mặt trước pha xoắn. Và cấu trúc liên kết đi vào thông qua cách chùm tia xoắn quanh trục của chính nó. Trong nghiên cứu của chúng tôi, độ xoắn này được điều khiển bởi điện tích tôpô Pancharatnam, nó quy định pha và độ phân cực của chùm tia thay đổi như thế nào khi chúng ta di chuyển xung quanh chùm tia."
Tại mặt phẳng ban đầu, chùm tia được quay-cân bằng. Các thành phần hình tròn bên trái- và bên phải- của nó xuất hiện như nhau nên không có sự phân cực tròn cục bộ. Forbes chỉ ra: “Nhưng hai thành phần này mang cấu trúc quỹ đạo khác nhau”. "Khi chùm tia truyền đi, chúng thu được các pha Gouy khác nhau và các cấu hình xuyên tâm khác nhau. Điều này làm cho các thành phần hình tròn thuận tay phải- và tay trái- tách biệt theo hướng xuyên tâm, tạo ra spin cục bộ và chirality quang học."
Điều quan trọng cần lưu ý là không cần vật liệu đặc biệt nào cho hiệu ứng này. Trong trường hợp này, spin và chirality xuất hiện trong quá trình truyền-không gian tự do của chùm ánh sáng có cấu trúc-chùm tia xoáy vectơ.
Chùm tia xoáy vector là gì? Forbes cho biết: “Vectơ có nghĩa là độ phân cực thay đổi trên toàn bộ chùm tia, thay vì đồng đều”. "Vortex có nghĩa là chùm tia mang xung lượng góc quỹ đạo, liên kết với một mặt trước pha xoắn. Và cấu trúc liên kết đi vào thông qua cách chùm tia xoắn quanh trục của chính nó. Trong nghiên cứu của chúng tôi, độ xoắn này được điều khiển bởi điện tích tôpô Pancharatnam, nó quy định pha và độ phân cực của chùm tia thay đổi như thế nào khi chúng ta di chuyển xung quanh chùm tia."
Tại mặt phẳng ban đầu, chùm tia được quay-cân bằng. Các thành phần hình tròn bên trái- và bên phải- của nó xuất hiện như nhau nên không có sự phân cực tròn cục bộ. Forbes chỉ ra: “Nhưng hai thành phần này mang cấu trúc quỹ đạo khác nhau”. "Khi chùm tia truyền đi, chúng thu được các pha Gouy khác nhau và các cấu hình xuyên tâm khác nhau. Điều này làm cho các thành phần hình tròn thuận tay phải- và tay trái- tách biệt theo hướng xuyên tâm, tạo ra spin cục bộ và chirality quang học."
Quang tử ánh sáng có cấu trúc, thao tác quang học, cảm biến chirus
Ba trong số những ứng dụng rõ ràng nhất phía trước có thể là quang tử ánh sáng có cấu trúc, thao tác quang học và cảm biến bất đối. Một cách sử dụng tiềm năng khác là xử lý thông tin quang tử có chiều cao-vì chùm tia liên kết quay và xung lượng góc quỹ đạo theo cách có thể kiểm soát được.
“Về nguyên tắc, khám phá của chúng tôi có liên quan đến cả ánh sáng có cấu trúc cổ điển và lượng tử, trong đó thông tin có thể được mã hóa trong phạm vi phân cực (ánh sáng quay) và chế độ không gian (ánh sáng xoắn)”, Nape nói. “Quay và xoắn của photon có thể được sử dụng như một bảng chữ cái trong các chùm tia laser sáng và ở cấp độ photon đơn lẻ. Mỗi trạng thái riêng biệt đại diện cho một ký hiệu thông tin khác nhau.”
Công trình hiện tại của đội là vật lý quang học cổ điển, nhưng cùng mức độ tự do, spin, xung lượng góc quỹ đạo và cấu trúc chế độ không gian cũng được sử dụng cho quang tử lượng tử. Nape nói: "Mối quan tâm lâu dài của chúng tôi là liệu loại cấu trúc quỹ đạo quay -được điều khiển bằng cấu trúc liên kết này có thể hữu ích cho việc chuẩn bị, biến đổi hoặc mã hóa các trạng thái quang tử nhiều chiều hay không".
Tiếp theo, các nhà nghiên cứu có kế hoạch khám phá mức độ tổng quát và hữu ích của cơ chế này. Nape cho biết: "Chúng tôi đã chứng minh rằng điện tích tôpô Pancharatnam có thể kiểm soát spin và chirality để truyền-tự do trong không gian và bây giờ câu hỏi đặt ra là khả năng kiểm soát này có thể được đẩy đi bao xa". "Chúng tôi cũng quan tâm đến cách nó có thể được sử dụng để mã hóa thông tin, thao tác quang học và tương tác vật chất-ánh sáng bất đối. Mục tiêu rộng hơn của chúng tôi là chuyển từ việc thể hiện hiệu ứng ánh sáng có cấu trúc thú vị sang phát triển nó như một nguyên tắc thiết kế thực tế."
