Graças à topologia, um ramo da matemática que explora propriedades de objetos geométricos que permanecem os mesmos enquanto sofrem deformações contínuas, uma equipe de cientistas liderada por Isaac Nape, da Universidade de Witwatersrand, na África do Sul, e Kayne Forbes, da Universidade de East Anglia (UEA), no Reino Unido, descobriu uma maneira de programar e controlar a quiralidade da luz (também conhecida como destro- ou canhoto-) e rotação.
Em óptica, a quiralidade é geralmente associada à luz circularmente polarizada (na qual o campo elétrico gira no sentido horário ou anti-horário à medida que a luz viaja).
"Nosso trabalho foi motivado pela questão de saber se a luz pode gerar e controlar sua própria lateralidade local por meio da propagação-sem a necessidade de uma interface de material, uma metassuperfície ou foco muito preciso", diz Forbes, professor da Escola de Química, Farmácia e Farmacologia da UEA, onde lidera o grupo de Teoria-da Luz e Nanofotônica.
Ajuste de carga topológica
A topologia entra pela forma como a fase e a polarização de um feixe de luz serpenteiam pelo espaço. “A luz estruturada permite-nos reunir estas ideias para que possamos conceber feixes cuja fase e polarização variam de forma precisa ao longo do feixe”, explica Forbes. "Estávamos interessados na possibilidade da topologia do feixe atuar como um simples botão de controle. Ao alterar a carga topológica do Pancharatnam (um parâmetro), podemos fazer com que o spin local e a quiralidade da luz se reorganizem durante a propagação."
É importante observar que nenhum material especial é necessário para o efeito em si. O spin e a quiralidade emergem durante a-propagação no espaço livre de um feixe de luz estruturado-um feixe de vórtice vetorial, neste caso.
O que é um feixe de vórtice vetorial? “Vetor significa que a polarização varia ao longo do feixe, em vez de ser uniforme”, diz Forbes. "Vórtice significa que o feixe carrega momento angular orbital, que está associado a uma frente de fase torcida. E a topologia entra pela maneira como o feixe gira em torno de seu próprio eixo. Em nosso trabalho, essa torção é controlada pela carga topológica Pancharatnam, que define como a fase e a polarização do feixe variam à medida que nos movemos ao redor do feixe. "
No plano inicial, o feixe é balanceado-por rotação. Seus componentes circulares esquerdo- e direito-estão presentes igualmente, portanto não há polarização circular local. “Mas estes dois componentes carregam estruturas orbitais diferentes”, salienta Forbes. "À medida que o feixe se propaga, eles adquirem diferentes fases de Gouy e diferentes perfis radiais. Isso faz com que os componentes circulares destros- e canhotos-separem radialmente, o que produz spin local e quiralidade óptica."
É importante observar que nenhum material especial é necessário para o efeito em si. O spin e a quiralidade emergem durante a-propagação no espaço livre de um feixe de luz estruturado-um feixe de vórtice vetorial, neste caso.
O que é um feixe de vórtice vetorial? “Vetor significa que a polarização varia ao longo do feixe, em vez de ser uniforme”, diz Forbes. "Vórtice significa que o feixe carrega momento angular orbital, que está associado a uma frente de fase torcida. E a topologia entra pela maneira como o feixe gira em torno de seu próprio eixo. Em nosso trabalho, essa torção é controlada pela carga topológica Pancharatnam, que define como a fase e a polarização do feixe variam à medida que nos movemos ao redor do feixe. "
No plano inicial, o feixe é balanceado-por rotação. Seus componentes circulares esquerdo- e direito-estão presentes igualmente, portanto não há polarização circular local. “Mas estes dois componentes carregam estruturas orbitais diferentes”, salienta Forbes. "À medida que o feixe se propaga, eles adquirem diferentes fases de Gouy e diferentes perfis radiais. Isso faz com que os componentes circulares destros- e canhotos-separem radialmente, o que produz spin local e quiralidade óptica."
Fotônica de luz estruturada, manipulação óptica, detecção quiral
Três das aplicações mais óbvias à frente são provavelmente fotônica de luz estruturada, manipulação óptica e detecção quiral. Outro uso potencial é o processamento de informações fotônicas de alta dimensão, porque o feixe vincula o spin e o momento angular orbital de maneira controlável.
"Em princípio, nossa descoberta é relevante tanto para a luz estruturada clássica quanto para a luz estruturada quântica, onde a informação pode ser codificada dentro da polarização (luz giratória) e dos modos espaciais (luz torcida)", diz Nape. "A rotação e torção do fóton podem ser usadas como um alfabeto dentro de feixes de laser brilhantes e no nível de um único fóton. Cada estado distinto representa um símbolo de informação diferente."
O trabalho atual da equipe é física óptica clássica, mas os mesmos graus de liberdade, spin, momento angular orbital e estrutura de modo espacial também são usados para fotônica quântica. "Nosso interesse-de longo prazo é se esse tipo de estrutura de órbita-de spin{3}}controlada por topologia pode ser útil para preparar, transformar ou codificar estados fotônicos-de alta dimensão", diz Nape.
A seguir, os pesquisadores planejam explorar o quão geral e útil é esse mecanismo. "Mostramos que a carga topológica de Pancharatnam pode controlar o spin e a quiralidade para propagação-no espaço livre, e agora a questão é até onde esse controle pode ser levado", diz Nape. "Também estamos interessados em como ele pode ser usado para codificação de informações, manipulação óptica e interações quirais de luz-matéria. Nosso objetivo mais amplo é passar da demonstração de um efeito de luz estruturado interessante para desenvolvê-lo como um princípio de design prático."
