Att styra och fånga optiska vågor på ett tillförlitligt sätt är centralt för funktionen hos olika samtida teknologier, inklusive kommunikations- och informationsbehandlingssystem. Den mest konventionella metoden för att styra ljusvågor utnyttjar den totala inre reflektionen av optiska fibrer och andra liknande strukturer, men nyligen har fysiker undersökt potentialen hos tekniker baserade på andra fysiska mekanismer.
Forskare vid University of Southern California utarbetade nyligen en mycket innovativ metod för att fånga ljus. Denna metod, introducerad i Nature Physics , utnyttjar de exotiska egenskaperna hos Lagrangepunkter, samma jämviktspunkter som styr urhimlakropparnas banor, såsom så kallade trojanska asteroider i sol-Jupiter-systemet.
"Upptäckten av Lagrange-punkter, som råkar vara avgörande i den här forskningen, kan spåras tillbaka till Leonhard Eulers och Joseph-Louis Lagranges tidiga arbete, som fann att på dessa platser kan gravitationsattraktionen som utövas av två stora kroppar vara exakt uppvägd av centrifugalkrafter, säger Mercedeh Khajavikhan och Demetrios N. Christodoulides, medförfattare till tidningen, till Phys.org.
"Medan några av dessa punkter, särskilt och, redan används som strategiska positioner i rymden för satellitstabilitet med minimal förbrukning av drivmedel (som exemplifieras av James Webb-teleskopet och den nyligen utplacerade Aditya L1-satelliten), fokuserar vår studie på de spännande egenskaperna hos och Lagrange-punkter."
Trojanska asteroider är en stor grupp asteroider som kretsar runt solen på samma bana som planeten Jupiter. Lagrangepunkter, uppkallade efter den berömda matematikern Lagrange som avslöjade dem, är positioner i rymden där gravitationskraften hos två kroppar i samma system (t.ex. solen och Jupiter) producerar förstärkta regioner av attraktion och repulsion.
Som en del av sin studie satte Khajavikhan och Christodoulides sig för att undersöka potentialen i att utnyttja den unika fysiken i dessa positioner för att styra och fånga ljusvågor. I sin uppsats visade forskarna att användningen av och Lagrange-punkter för optiska tillämpningar på något sätt liknar att fånga trojanska asteroider i omloppsbanan mellan solen och Jupiter.
"Den Lagrange optiska vågledaren induceras genom att ström passerar genom en spiralformad tråd i en härdad silikonoljecylinder," sa Khajavikhan och Christodoulides.
"Med hjälp av den termooptiska effekten producerar detta i sin tur ett vridet indexlandskap där i detta fall fotonrepulsionen balanseras av centrifugalkraften. Motintuitivt produceras i denna bergssluttningsindexprofil en stabil Lagrangepunkt. och som ett resultat fångas en trojansk optisk stråle på ett tvådimensionellt sätt vid denna position."
Som en del av sin studie skapade Khajavikhan och Christodoulides ett kompakt system i sitt laboratorium som återskapar egenskaperna hos Lagrange-punkter, som de som observerats i trojanska asteroiders banor. Deras laboratoriebyggda system bestod av en spiralformad järntråd införd i ett medium med ett temperaturberoende brytningsindex.
Forskarna kunde senare värma detta medium på ett icke-homogent sätt genom att föra elektricitet genom tråden. I slutändan möjliggjorde denna process bildandet av vad de refererar till som en trojansk optisk stråle.
Detta enkla experiment ledde till mycket intressanta observationer. Intressant nog fann forskarna att optiska trojanska strålar kunde styras eller fångas i denna defokuserande brytningsindexmiljö, något som inte är genomförbart under normala omständigheter.
"Ännu viktigare är att brytningsindexlandskapet där dessa optiska strålar fångas är helt omärkligt, utan några som helst egenskaper som skulle kunna förutsäga ett vägledande svar," sa Khajavikhan och Christodoulides. "I huvudsak är den optiska strålen instängd i ett ingenstansland - i helt oansenliga områden där inga konventionella vågledarstrukturer existerar."
Det senaste arbetet av detta team av forskare visar att de unika egenskaperna hos Lagrange-punkter kan utnyttjas för att styra och fånga ljusvågor. I framtiden kan det utgöra utvecklingen av nya tekniker för att styra optiska vågor i okonventionella miljöer när konventionella tillvägagångssätt är ineffektiva, såsom i vätskor och gaser.
"En möjlig väg för ytterligare utforskning skulle kunna vara användningen av trojanska strålar i förstärkande (laser) system, där optisk förstärkning eller förlust kan etablera alternativa metoder för strålattraktion eller repulsion i helt dielektriska medier," sa Khajavikhan och Christodoulides.
Hittills har forskarna bara fokuserat på användningen av Lagrange-punkter för att styra ljusstrålar. Men i framtiden kan den metod som de utvecklade också testas inom andra fysikområden som sträcker sig bortom optiken, till exempel som en teknik för att styra akustiska vågor eller ultrakalla atomer.
"Vid denna tidpunkt planerar vi att undersöka möjligheten att styra ljus i akustiska vågor i både flytande och gasformiga medier," tillade Khajavikhan och Christodoulides. "Slutligen, av intresse skulle vara att för första gången observera att fånga och transportera dielektriska mikro- och nanopartiklar i Lagrange-vågledare med hjälp av optiska traktorstrålar där flera Lagrange-punkter kan induceras - en aspekt som inte är möjlig inom himmelsmekanik."
Mer information: Haokun Luo et al, Guiding trojan light beams via Lagrange points, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02270-6
Journalinformation: Naturfysik
© 2024 Science X Network
