Kredit:Physical Review Letters
Forskare från Skoltech, Islands universitet och University of Southampton har visat bildandet av en udda aldrig tidigare skådad enhet från kvantfysikens rike:ett kluster av optiska virvlar med periodisk laddning. Grundläggande studier av optiska virvlar lovar applikationer inom optisk mikroskopi, kvantkryptering, optisk kommunikation med förbättrad bandbredd, analog beräkning och optisk pincettteknik. Forskningen publicerades i Physical Review Letters och med på numrets omslag.
En optisk virvel är ljus vriden som en spiral runt sin utbredningsaxel. Projicerad på en plan yta ser den ut som en ring med en mörk fläck i mitten. En virvel har en så kallad topologisk laddning, som du kan tänka dig som ett tal som anger hur snabbt den snurrar och i vilken riktning.
Den senaste studien rapporterar hur dess författare lyckades framkalla fyra sådana virvlar som ett kluster och upptäckte att deras laddningar varierade på ett regelbundet sätt, och bytte med en femtedel av en nanosekund. Medan optiska virvelkluster eller gitter hade observerats tidigare, rapporteras en sådan snabb laddningssvängning för första gången.
Vad gör optiska virvlar intressanta
Optiska virvlar som sådana erbjuder en spännande möjlighet att övervinna bandbreddsbegränsningen för fiberoptiska kommunikationslinjer. Det finns bara så många överföringskanaler du kan packa i en optisk fiber, vilket betyder att det finns en gräns för bandbredd. Men två virvlar även vid samma våglängd av ljus kunde särskiljas genom sin laddning, så på ett sätt upptar de distinkta kanaler. Sådan kanal "multiplikation" är känd som multiplexering.
En annan spännande applikation är optisk pincett. Dessa är speciellt förberedda laserstrålar för att hålla eller manipulera mikroskopiska föremål som atomer, nanopartiklar eller till och med biologiska celler. Den här pincetttekniken, som användes sedan 1980-talet, kunde förbättras med optiska virvlar, vilket skulle göra det möjligt att fånga ett föremål i en ring av ljus och rotera det, tack vare virvelns snurrande natur.
Hur man skapar ett optiskt virvelkluster med periodisk laddningsväxling
Experimenten utfördes i Skoltechs Hybrid Photonics Laboratory, ledd av professor Pavlos Lagoudakis, institutets vicepresident för fotonik. Virvlarna i studien genererades i ett system som kallas microcavity exciton-polaritons.
I experimenten använde forskarna en halvledarmikrokavitetsstruktur - två starkt reflekterande tätt placerade speglar med kvantbrunnar inklämda emellan. Detta möjliggör ljuslokalisering och stark interaktion med halvledarmediet, vilket ger upphov till kvasipartiklar som kallas polaritoner – kopplade tillstånd för elektronerna och hålen i materialet och fotonerna i den infallande laserstrålen.
"Fångsten var att vi var tvungna att se till att laddningen av varje virvel var slumpmässig till att börja med, och skulle utvecklas fritt enligt kondensatets kvantdynamiska regler. Detta betyder att systemet spontant skulle självarrangera sina virvlar, vilket antyder framväxande beteende. Så vi kunde inte bara trycka in ett virvelgitter i vårt system med en laser, eftersom det skulle skapa virvlar med kända laddningar och ta bort all spontanitet," den första författaren till tidningen, Skoltech Ph.D. elev Kirill Sitnik, kommenterade.
"Vi exciterade polaritoner med en ringformad laserstråle. Vid den kritiska excitationseffekten lokaliserades några av polaritonerna inuti en optiskt inducerad effektiv fälla, och upptar en superposition av makroskopiska kvantiserade tillstånd med självarrangerade virvlar som oscillerar på ett periodiskt sätt," studiens PI Pavlos Lagoudakis sa. + Utforska vidare
