Lysstråler, der kan styres i korkskruelignende former kaldet optiske hvirvler, bruges i dag i en række applikationer. Ved at skubbe grænserne for struktureret lys rapporterer Harvard Applied Physicists i John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) en ny type optisk virvelstråle, der ikke kun vrider, når den rejser, men også ændrer sig i forskellige dele i forskellige hastigheder for at skabe unikke mønstre. Den måde, lyset opfører sig på, ligner spiralformer almindelige.
Forskerne lånte fra klassisk mekanik til kaldenavn deres aldrig før-demonstrerede lysvirvel og “optisk roterende” for at beskrive, hvordan drejningsmomentet på lysets korkskrue-form gradvist ændres. I Newtonian Physics er “Rotatum” hastigheden for ændring i drejningsmoment på et objekt over tid.
Den optiske rotatum blev oprettet i laboratoriet for Federico Capasso, Robert L. Wallace -professor i anvendt fysik og Vinton Hayes Senior Research Fellow i elektroteknik ved SEAS. “Dette er en ny opførsel af lys, der består af en optisk hvirvel, der forplantes gennem rum og ændringer på usædvanlige måder,” sagde Capasso. “Det er potentielt nyttigt til at manipulere små stoffer.” Forskningen offentliggøres i Videnskab fremmer.
I en ejendommelig vri fandt forskerne, at deres orbital vinkelmoment-bærende lysstråle vokser i et matematisk genkendeligt mønster, der findes over hele den naturlige verden. Spejler fibonacci -nummersekvensen (berømt i da Vinci -koden), forplantes deres optiske roterende i en logaritmisk spiral, der ses i skallen på en Nautilus, frøene til en solsikke og træernes grene.
“Det var et af de uventede højdepunkter i denne forskning,” sagde første forfatter Ahmed Dorrah, en tidligere forskningsassistent i Capassos laboratorium, nu adjunkt ved Eindhoven University of Technology. “Forhåbentlig kan vi inspirere andre, der er specialister i anvendt matematik til yderligere at studere disse lette mønstre og få unik indsigt i deres universelle signatur.”
Forskningen bygger på tidligere arbejde, hvor teamet brugte en metasurface, en tynd linse, der er ætset med lysbøjende nanostrukturer, til at skabe en lysstråle med kontrolleret polarisering og orbital vinkelmoment langs dens forplantningssti, hvilket omdanner ethvert input af lys til andre strukturer, der ændrer sig, når de bevæger sig. Nu har de introduceret en anden grad af frihed til deres lys, hvor de også kan ændre dets rumlige drejningsmoment, når det forplantes.
“Vi viser endnu mere alsidighed af kontrol, og vi kan gøre det kontinuerligt,” sagde Alfonso Palmieri, en kandidatstuderende i Capassos laboratorium og medforfatter til denne forskning.
Potentielle brugssager til en sådan eksotisk lysstråle inkluderer kontrol af meget små partikler, såsom kolloider i suspension, ved at indføre en ny type kraft i overensstemmelse med lysets usædvanlige drejningsmoment. Det kan også muliggøre en præcis optisk pincet til mikro-manipulation af små ting.
Mens andre har demonstreret drejningsmomentskiftende lys ved hjælp af lasere med høj intensitet og voluminøse opsætninger, lavede Harvard-teamet deres med en enkelt flydende krystalvisning og en lavintensiv bjælke. Ved at vise, at de kan skabe et rotatum i en branche-kompatibel, integreret enhed, er barrieren for adgang til deres teknologi til at blive virkelighed meget lavere end tidligere demonstrationer.