Vattenvirvlar, rökringar, våldsamma tornados och spiralgalaxer är alla exempel på vridningar i vätskor, även om de är väldigt olika varandra. Analoga vändningar, men i ljusets rike, har skapats av forskargruppen koordinerad av Antonio Ambrosio vid IIT-Istituto Italiano di Tecnologia (Italienska tekniska institutet), i Milano (Italien). Resultaten, publicerade i tidskriften Nature Photonics , visar realiseringen av 100 ljusvirvlar, kopplade för att bilda en ordnad struktur, en ljuskristall.

Ömsesidig interaktion mellan ljus och nanostrukturerade material är fokus för forskningen av Antonio Ambrosio, huvudutredare för forskningslinjen Vectorial Nano-imaging vid IIT i Milano och mottagare av ERC Consolidator-projektet "METAmorphoses."

Generatorer för vridet ljus har utvecklats under de senaste åren, men de skapar vanligtvis en enda virvel som sprider sig ensam i ledigt utrymme. IIT-forskare har istället visat att det är möjligt att skapa 100 ljusvirvlar, kopplade till en ordnad ljuskristall.

I gruppen i Milano ingår även doktoranden. studenten Michael de Oliveira och forskaren Marco Piccardo, också den första författaren till uppsatsen. Deras resultat visar hur en nanostrukturyta kan användas som en mask för att samtidigt kontrollera alla parametrar för flera laserstrålar, inte bara deras intensitet. Gruppen visade att detta är möjligt genom att designa en rad metasytor, det vill säga nanostrukturerade optiska enheter, som formar ljusstrålen i ett utrymme som är 100 gånger tunnare än ett människohår. De realiserade metasytorna formar ljusets vågfront som en korkskruv, som genererar en optisk virvel.

Att sätta in metasytearrayen i en laserkavitet, där ljus kontinuerligt studsar mellan två speglar, öppnar dörren till nya egenskaper, såsom självläkning av en defekt i systemet eller omkonfigurerbarheten av antalet vändningar som ljuset gör. Sådana egenskaper är resultatet av interaktionen mellan olika virvlar i kristallen:varje virvel är i själva verket modellerad av interaktionen med andra virvlar i ett avstämbart nätverk.

Möjligheten att justera antalet vridningar på begäran är en unik egenskap hos metasurface-lasern. Även om enheterna har en fast design och bara kan generera en specifik typ av optisk virvel i fritt utrymme, när de sätts in i en laserkavitet, kan egenskaperna hos virvlarna – känd som deras topologi – ändras genom att helt enkelt ställa in en kavitetsspegel. Denna funktion kan användas för att dynamiskt modulera ljus och förmedla användbar information i vridningarna för optisk kommunikation.

Systemet som utvecklats i Milano är robust och det har också potential att bearbeta information kodad i olika kopplade system, inklusive avlägsna och enorma galaxer. Tack vare dessa nya resultat är det nu möjligt att simulera i labbet komplexa kopplade system, med ordningsförändringar av stabila defekter, svåra att reproducera annars eftersom de involverar enorm skala, som galaxer, eller delar av extrema hydrodynamiska system.

I nästa steg kommer forskarna att undersöka hur man kan ställa in styrkan i interaktionen mellan virvlarna och utöka systemet till ett ännu större antal virvlar. + Utforska vidare

Ny typ av metayta tillåter oöverträffad laserkontroll