Runt sex års ålder, vi börjar lära oss att knyta våra skosnören, göra knutar som ser ut som band - eller möjligen mer komplexa former, om vi är lite klumpiga. Vi använder knop varje dag, men den typ av knutar vi i allmänhet använder är associerade med fysiska objekt, saker vi kan röra vid.

Även om det kan vara svårt att avbilda, ljus kan också formas på sätt som bildar knutna konfigurationer, vars form beror på ljusets orbitala vinkelmoment. Denna parameter är ansvarig för att få ljusstrålen att vridas runt sin egen axel, generera olika knutformer, och expanderar till en ny grad av frihet som kan bära värdefull information.

Att lära sig och bemästra hur man genererar vriden ljus - ljus med orbitalt vinkelmoment - har varit ett blomstrande studieområde de senaste 20 åren. Till skillnad från spinnvinkelmoment, som är associerad med polariseringen av ljus, orbital vinkelmoment är associerad med den elektriska fältets rumsliga fördelning. Dessa två typer av vinkelmoment kan också kopplas, vilket resulterar i en mängd olika ljusfält i olika former med polarisationer som ändras från punkt till punkt.

Ljusets beteende blir också rikare när det går från att pendla med en enda frekvens (monokromatiskt ljus) till att vibrera vid många olika frekvenser. Detta introducerar ett brett spektrum av polariseringstillstånd, var och en beskriver en form som kan spåras av ljusets elektriska fält över tid. Att kombinera detta bredare utrymme med möjligheter med de rumsliga variationerna som produceras av den orbitala vinkelmomentet borde ge ännu mer utrymme för intressanta anslutningar, men hittills har detta varit en okänd gräns:medan det finns en stor forskning om strukturerat ljus, det har i huvudsak varit inriktat på enfärgade fält.

I en färsk studie, publicerad i två artiklar, gemensamma samarbeten mellan ICFO -forskare har brutit teoretisk och experimentell grund inom detta nya område, avslöjar nya typer av knutar för vriden ljus och en ny typ av vinkelmoment.

I det första papperet, publicerad i Nature Photonics , ICFO -forskare Emilio Pisanty, Gerard Jiménez Machado, Veronica Vicuña Hernández, Antonio Picón och Alessio Celi, ledd av ICREA Prof. på ICFO Maciej Lewenstein och UPC Prof. på ICFO Juan P. Torres, har utformat en ljusstråle med ett polariseringstillstånd som bildar tre-flikiga trefoils vid varje punkt, genom att kombinera ljus med olika frekvenser (w och 2w), och få trefilerna att ansluta till varandra på ett sådant sätt att ljusstrålen, som helhet, har formen av en knut.

Dessa balkar uppvisar också en ny typ av vinkelmoment, associerad med balkarnas ovanliga symmetri, som förblir invarianta under rotationer - men bara när polarisationen roteras av en specifik bråkdel av det rumsliga beroendeets rotation. De kallade denna nya kvantitet för torusknuten vinkelmoment, på grund av typen av knut i balkarna.

Forskarna implementerade också dessa balkar experimentellt, med hjälp av olinjära kristaller för att generera strålarna, och de utformade ett olinjärt polarisationstomografischema för att mäta trefoil -formerna som spåras av det elektriska fältet. Deras mätningar visar att det finns en ny typ av optisk singularitet som är topologiskt skyddad och robust mot störningar, orsakad av polariseringsträflarnas olika orientering vid olika punkter runt ett cirkulärt polariserat centrum.

I det andra papperet, publicerad i Fysiska granskningsbrev , ICFO -forskarna Emilio Pisanty och Antonio Picón, ledd av ICREA -professor vid ICFO Maciej Lewenstein, i samarbete med forskare från gruppen Laser Applications and Photonics vid University of Salamanca och från CU Boulder, visa att denna nya optiska singularitet kan tillämpas på olinjär optik, även vid extremintensiteten och i icke-störande situationer.

Där visar de, via teoretiska simuleringar, att de överordnade övertoner som produceras av torus-knutstrålarna vid ultrahöga intensiteter bevarar den samordnade symmetrin hos drivlasern, bildar vridna spiraler med ultrakorte ljuspulser, och att torusknuten vinkelmoment bevaras i interaktionen. Denna nya symmetri är väsentlig för att förstå produktionen av format ljus vid mycket korta våglängder, som kan användas för nya applikationer inom mikroskopi, litografi och spektroskopi.

Resultaten av båda studierna ger nya ramar och resultat som främjar studiet av strukturerat ljus och olinjär optik. Å ena sidan, forskarna kunde hitta nya bevarande lagar för icke-linjär optik som håller även i extrema situationer där tiotals eller hundratals fotoner kombineras för att bilda enstaka högfrekventa fotoner. På den andra, de analyserade de drivande fälten som gör detta möjligt och visade att de innehåller en ny optisk singularitet, med en ny grad av frihet som kan användas för att lagra värdefull information, öppnar möjligheten att använda dessa nya ljusets topologier för framtida kommunikationsapplikationer, bland andra.