Фундаментальные исследования оптических вихрей обещают применение в оптической микроскопии, квантовой криптографии, оптической связи с расширенной полосой пропускания, аналоговых вычислениях и технологии оптических пинцетов. Исследование было опубликовано в письмах с физическим обзором.
Оптический вихрь — это свет, закрученный по спирали вокруг своей оси распространения. В проекции на плоскую поверхность он выглядит как кольцо с темным пятном посередине. Вихрь имеет так называемый топологический заряд, который можно представить как число, обозначающее, с какой скоростью он вращается и в каком направлении.
В недавнем исследовании сообщается, как его авторам удалось индуцировать четыре таких вихря в виде кластера и обнаружить, что их заряды регулярно менялись, переключаясь с периодом в одну пятую наносекунды. Хотя оптические вихревые кластеры или решетки наблюдались и раньше, о таких быстрых осцилляциях заряда сообщается впервые.
Оптические вихри как таковые предлагают интригующую возможность преодолеть ограничение пропускной способности волоконно-оптических линий связи. Существует ограниченное количество каналов передачи, которые вы можете упаковать в оптическое волокно, а это означает, что существует ограничение на пропускную способность. Однако два вихря даже при одинаковой длине волны света можно различить по их заряду, поэтому они в некотором роде занимают разные каналы.
Другое применение — оптический пинцет. Это специально подготовленные лазерные лучи для удерживания или манипулирования микроскопическими объектами, такими как атомы, наночастицы или даже биологические клетки. Эта технология пинцета, используемая с 1980-х годов, может быть улучшена с помощью оптических вихрей, которые позволят захватывать объект в кольцо света и вращать его благодаря вращающейся природе вихря.
Как создать оптический вихревой кластер с периодическим переворотом заряда
Эксперименты проводились в Лаборатории гибридной фотоники Сколтеха под руководством профессора Павлоса Лагудакиса, вице-президента института по фотонике. Вихри в исследовании были созданы в системе, известной как экситон-поляритоны с микрорезонаторами.
В экспериментах исследователи использовали полупроводниковую микрорезонаторную структуру — два высокоотражающих близко расположенных зеркала с зажатыми между ними квантовыми ямами. Это позволяет локализовать свет и сильно взаимодействовать с полупроводниковой средой, что приводит к возникновению квазичастиц, называемых поляритонами, — связанных состояний электронов и дырок в материале и фотонов в падающем лазерном луче.
«Загвоздка в том, что мы должны были убедиться, что заряд каждого вихря с самого начала был случайным и мог свободно развиваться в соответствии с правилами квантовой динамики конденсата. Это означает, что система будет спонтанно самоорганизовывать свои вихри, подразумевая эмерджентное поведение. Поэтому мы не могли просто лазером впечатать в нашу систему вихревую решетку, потому что это создало бы вихри с известными зарядами и убрало бы всякую спонтанность», — прокомментировал первый автор статьи, аспирант Сколтеха Кирилл Ситник.
«Мы возбудили поляритоны кольцеобразным лазерным лучом. При критической мощности возбуждения некоторые поляритоны локализуются внутри оптически индуцированной эффективной ловушки, занимая суперпозицию макроскопических квантованных состояний с самоорганизованными вихрями, колеблющимися периодически», — сказал исследователь Павлос Лагудакис.
