البرنامج والتحكم في عدم انطباق الضوء عبر قرص الطوبولوجيا؟ - الأخبار

بفضل الطوبولوجيا، وهو فرع من الرياضيات يستكشف خصائص الأجسام الهندسية التي تظل كما هي أثناء خضوعها لتشوهات مستمرة، اكتشف فريق من العلماء بقيادة إسحاق نايب من جامعة ويتواترسراند في جنوب أفريقيا وكين فوربس من جامعة إيست أنجليا (UEA) في المملكة المتحدة طريقة لبرمجة والتحكم في عدم تناظر الضوء (المعروف أيضًا باسم اليد اليمنى- أو اليد اليسرى-) ودورانه.

في علم البصريات، ترتبط اللامركزية عادةً بالضوء المستقطب دائريًا (حيث يدور المجال الكهربائي إما في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة أثناء انتقال الضوء).

يقول فوربس، المحاضر في كلية الكيمياء والصيدلة وعلم الصيدلة بجامعة إيست أنجليا، حيث يقود مجموعة نظرية الضوء- والمادة الضوئية النانوية: "كان الدافع وراء عملنا هو مسألة ما إذا كان الضوء يمكنه توليد والتحكم في حركته المحلية من خلال الانتشار-دون الحاجة إلى واجهة مادية أو سطح فوقي أو تركيز شديد التركيز".

قرص الشحنة الطوبولوجية

تدخل الطوبولوجيا من خلال طور واستقطاب شعاع الضوء حول الفضاء. يوضح فوربس: "يسمح لنا الضوء المنظم بجمع هذه الأفكار معًا حتى نتمكن من تصميم حزم يختلف طورها واستقطابها بطرق محددة عبر الحزمة". "كنا مهتمين بإمكانية أن تعمل طوبولوجيا الشعاع كمقبض تحكم بسيط. من خلال تغيير الشحنة الطوبولوجية لـ Pancharatnam (معلمة واحدة)، يمكننا أن نجعل الدوران المحلي واللامركزية للضوء يعيدان تنظيم نفسيهما أثناء الانتشار."

من المهم ملاحظة أنه ليست هناك حاجة إلى مواد خاصة لتحقيق التأثير نفسه. يظهر الدوران واللامركزية أثناء الانتشار الفضائي الحر-لشعاع ضوئي منظم-شعاع دوامي متجه، في هذه الحالة.

ما هو شعاع دوامة المتجهات؟ يقول فوربس: "يعني المتجه أن الاستقطاب يختلف عبر الحزمة، بدلًا من أن يكون منتظمًا". "تعني الدوامة أن الشعاع يحمل زخمًا زاويًا مداريًا، والذي يرتبط بمقدمة طور ملتوية. وتدخل الطوبولوجيا عبر الطريقة التي يلتف بها الشعاع حول محوره. في عملنا، يتم التحكم في هذا الالتواء بواسطة الشحنة الطوبولوجية بانشاراتنام، والتي تحدد كيفية اختلاف طور الشعاع واستقطابه أثناء تحركنا حول الشعاع."

عند مستوى البداية، يكون الشعاع متوازنًا دورانيًا-. المكونات الدائرية اليسرى- واليمنى-متواجدة بالتساوي، لذلك لا يوجد استقطاب دائري محلي. "لكن هذين المكونين يحملان هياكل مدارية مختلفة"، يشير فوربس. "مع انتشار الشعاع، فإنها تكتسب أطوار Gouy مختلفة وملامح شعاعية مختلفة. وهذا يجعل المكونات الدائرية اليمنى واليسرى- منفصلة قطريًا، مما ينتج عنه دوران محلي وعدم تناظر بصري."

الضوئيات الضوئية المنظمة، والتلاعب البصري، والاستشعار اللولبي

ثلاثة من التطبيقات الأكثر وضوحًا في المستقبل هي على الأرجح الضوئيات الضوئية المنظمة، والمعالجة البصرية، والاستشعار اللولبي. هناك استخدام محتمل آخر وهو معالجة المعلومات الضوئية-عالية الأبعاد، لأن الشعاع يربط بين الدوران والزخم الزاوي المداري بطريقة يمكن التحكم فيها.

يقول نايب: "من حيث المبدأ، يرتبط اكتشافنا بالضوء المهيكل الكلاسيكي والكومي، حيث يمكن تشفير المعلومات ضمن الاستقطاب (الضوء المغزلي) والأنماط المكانية (الضوء الملتوي)". "يمكن استخدام دوران الفوتون وتطوره كأبجدية داخل أشعة الليزر الساطعة وعلى مستوى الفوتون الواحد. وتمثل كل حالة مميزة رمزًا مختلفًا للمعلومات."

العمل الحالي للفريق هو الفيزياء البصرية الكلاسيكية، ولكن نفس درجات الحرية، والدوران، والزخم الزاوي المداري، وبنية الوضع المكاني تستخدم أيضًا في الضوئيات الكمومية. يقول نايب: "إن اهتمامنا على المدى الطويل-هو ما إذا كان هذا النوع من البنية المدارية-المتحكم فيها بالدوران-يمكن أن يكون مفيدًا لإعداد أو تحويل أو تشفير الحالات الضوئية ذات الأبعاد العالية-.

بعد ذلك، يخطط الباحثون لاستكشاف مدى عمومية وفائدة هذه الآلية. يقول نايب: "لقد أظهرنا أن شحنة بانشاراتنام الطوبولوجية يمكنها التحكم في الدوران واللامركزية من أجل الانتشار الحر في الفضاء-، والسؤال الآن هو إلى أي مدى يمكن دفع هذا التحكم". "نحن مهتمون أيضًا بكيفية استخدامه لتشفير المعلومات والمعالجة البصرية وتفاعلات المواد الضوئية اللولبية-. هدفنا الأوسع هو الانتقال من إظهار تأثير ضوئي منظم مثير للاهتمام إلى تطويره كمبدأ عملي للتصميم."