I det dagliga livet verkar ljuset vara immateriellt. Vi går igenom den och skapar och släcker den med en strömbrytare. Men, precis som materia, ger ljus faktiskt ett litet slag – det har fart. Ljus knuffar ständigt på saker och kan till och med användas för att skjuta rymdfarkoster. Ljus kan också snurra föremål om det har orbital angular momentum (OAM) – egenskapen som är förknippad med ett roterande föremåls tendens att fortsätta snurra.
Forskare har vetat att ljus kan ha OAM sedan tidigt 90-tal, och de har upptäckt att ljusets OAM är associerat med virvlar eller virvlar i ljusets fas - positionen för topparna eller dalarna för de elektromagnetiska vågorna som utgör ljuset . Till en början fokuserade forskningen på OAM på virvlar som finns i tvärsnittet av en ljusstråle – fasen som vrider sig som propellern på ett plan som flyger längs ljusets väg.
Men under de senaste åren har fysiker vid UMD, med UMD-fysikprofessor Howard Milchberg i spetsen, upptäckt att ljus kan bära sin OAM i en virvel vänd åt sidan – fasen snurrar som ett hjul på en bil och rullar tillsammans med ljuset. Forskarna kallade dessa ljusstrukturer spatio-temporal optical vortices (STOV) och beskrev momentumet de bär som transversell OAM.
"Innan våra experiment var det inte uppskattat att ljuspartiklar - fotoner - kunde ha sidledspekande OAM," säger Milchberg. "Kollegor tyckte först att det var konstigt eller fel. Nu växer forskningen om STOV snabbt över hela världen, med möjliga tillämpningar inom områden som optisk kommunikation, olinjär optik och exotiska former av mikroskopi."
I en artikel publicerad i tidskriften Physical Review X , beskriver teamet en ny teknik som de använde för att ändra den tvärgående OAM för en ljuspuls när den färdas. Deras metod kräver en del laboratorieverktyg, som specialiserade lasrar, men på många sätt liknar den att snurra en karusell på en lekplats eller vrida en skiftnyckel.
"Eftersom STOV är ett nytt fält, är vårt huvudmål att få en grundläggande förståelse för hur de fungerar. Och ett av de bästa sätten att göra det är att bråka med dem", säger Scott Hancock, postdoktor i fysik vid UMD och första författare till pappret. "I grund och botten, vilka är fysikreglerna för att ändra den tvärgående OAM för en ljuspuls?"
I tidigare arbeten beskrev Milchberg, Hancock och kollegor hur de skapade och observerade ljuspulser som bär tvärgående OAM, och i en artikel publicerad i Physical Review Letters 2021 presenterade de en teori som beskriver hur man beräknar denna OAM och ger en färdplan för att ändra en STOV:s tvärgående OAM.
Konsekvenserna som beskrivs i lagets teori skiljer sig inte så mycket från fysiken när barnen är på en lekplats. När du snurrar en karusell ändrar du vinkelmomentet genom att trycka på det, och effektiviteten av ett tryck beror på var du applicerar kraften – du får ingenting av att trycka inåt på axeln och den största förändringen av att trycka i sidled på ytterkanten.
Karusellens massa och allt på den påverkar också vinkelmomentet. Till exempel, barn som hoppar från en rörlig karusell tar med sig en del av vinkelmomentet, vilket gör karusellen lättare att stoppa.
Teamets teori om ljusets tvärgående OAM ser väldigt ut som den fysik som styr snurrandet av en karusell. Men deras karusell är en skiva gjord av ljusenergi som är utlagd i en dimension av rymden och en annan av tid istället för två rumsliga dimensioner, och dess axel rör sig med ljusets hastighet.
Deras teori förutspår att tryck på olika delar av en karusellljuspuls kan ändra dess tvärgående OAM med olika mängder och att om en bit ljus sprids från en dammfläck och lämnar pulsen, så förlorar pulsen en del tvärgående OAM med det.
Teamet fokuserade på att testa vad som hände när de gav de tvärgående OAM-virvlarna ett knuff. Men att ändra den tvärgående OAM för en ljuspuls är inte så lätt som att ge en karusell en rejäl push; det finns ingen sak att ta tag i och utöva en kraft. För att ändra den tvärgående OAM för en ljuspuls måste du snärta på dess fas.
När ljuset färdas genom rymden skiftar dess fas naturligt, och hur snabbt fasen ändras beror på brytningsindexet för materialet som ljuset färdas genom. Så Milchberg och teamet förutspådde att om de kunde skapa en snabb förändring i brytningsindex på utvalda platser i pulsen när den flög förbi, skulle den svänga den delen av pulsen.
Men om hela pulsen passerar genom området med ett nytt brytningsindex, förutspådde de att det inte skulle ske någon förändring i OAM – som att ha någon på motsatt sida av en karusell som försöker bromsa den medan du är försöker påskynda det.
För att testa sin teori behövde teamet utveckla förmågan att snärta en liten del av en puls som rörde sig med ljusets hastighet. Lyckligtvis hade Milchbergs labb redan uppfunnit de lämpliga verktygen. I flera tidigare experiment har gruppen manipulerat ljus genom att använda laser för snabb generering av plasma - en fas av materia där elektroner har slitits loss från sina atomer. Processen är användbar eftersom plasman för med sig ett nytt brytningsindex.
I det nya experimentet använde teamet en laser för att göra smala kolumner av plasma, som de kallade transienta ledningar, som är tillräckligt små och blixtrar till existens tillräckligt snabbt för att rikta in sig på specifika områden av pulsen mitt under flygningen. Brytningsindexet för en övergående tråd spelar rollen som ett barn som trycker på karusellen.
Forskarna genererade den transienta tråden och riktade noggrant in alla sina strålar så att tråden exakt fångade upp den önskade delen av den OAM-bärande pulsen. Efter att en del av pulsen passerat genom tråden och fått ett snärt, nådde pulsen en speciell optisk pulsanalysator som teamet uppfann. Som förutspått, när forskarna analyserade de insamlade data, fann de att brytningsindexsnärtningen ändrade pulsens transversella OAM.
De gjorde sedan små justeringar i orienteringen och timingen av den transienta tråden för att rikta in sig på olika delar av ljuspulsen. Teamet utförde flera mätningar med den transienta tråden som korsade genom toppen och botten av två typer av pulser:STOV som redan bar transversell OAM och en andra typ som kallas en Gaussisk puls utan någon OAM alls.
För de två fall som motsvarar att skjuta en redan snurrande eller stillastående karusell, fann de att den största skjutningen uppnåddes genom att applicera det transienta trådsnärtningen nära ljuspulsens övre och nedre kanter.
För varje position justerade de också tidpunkten för den transienta trådlasern på olika körningar så att olika mängder av pulsen färdades genom plasman och virveln fick olika mycket kick. Forskare som tidigare genererade virvlar av ljus som de beskriver som "edge-first flying donuts" har nu utfört experiment där de stör virvlarnas väg mitt under flygningen för att studera förändringar i deras momentum. Bildkredit:Intense Laser-Matter Interactions Lab, UMD
Forskare som tidigare genererade virvlar av ljus som de beskriver som "edge-first flying donuts" har nu utfört experiment där de stör virvlarnas väg mitt under flygningen för att studera förändringar i deras momentum. Bildkredit:Intense Laser-Matter Interactions Lab, UMD
Teamet visade också att, likt en merry-go-round, att trycka med snurret lägger till OAM och att trycka mot det tar bort OAM. Eftersom motsatta kanter av den optiska karusellen rör sig i motsatta riktningar kan plasmatråden fylla båda rollerna genom att ändra sin position även om den alltid skjuts åt samma håll. Gruppen säger att beräkningarna de utförde med sin teori stämmer utmärkt överens med resultaten av deras experiment.
"Det visar sig att ultrasnabb plasma ger ett precisionstest av vår tvärgående OAM-teori", säger Milchberg. "Den registrerar en mätbar störning till pulsen, men inte så stark störning att pulsen förstörs helt."
Teamet planerar att fortsätta utforska fysiken i samband med tvärgående OAM. Teknikerna de har utvecklat skulle kunna ge nya insikter om hur OAM förändras över tid under interaktionen av en intensiv laserstråle med materia (det var där Milchbergs labb först upptäckte transversell OAM).
Gruppen planerar att undersöka tillämpningar av transversell OAM, som att koda information i de virvlande ljuspulserna. Deras resultat från detta experiment visar att de naturligt förekommande fluktuationerna i luftens brytningsindex är för långsamma för att ändra en pulss tvärgående OAM och förvränga all information som den bär.
"Det är i ett tidigt skede i denna forskning," säger Hancock. "Det är svårt att säga vart det kommer att ta vägen. Men det verkar ha mycket lovande för grundläggande fysik och tillämpningar. Att kalla det spännande är en underdrift."
Mer information: S. W. Hancock et al, Spatiotemporal Torquing of Light, Physical Review X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.011031
Journalinformation: Fysisk granskning X , Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av University of Maryland
