지속적인 변형을 겪으면서도 동일하게 유지되는 기하학적 물체의 속성을 탐색하는 수학 분야인 토폴로지 덕분에 남아프리카 Witwatersrand 대학교의 Isaac Nape와 영국 East Anglia 대학교(UEA)의 Kayne Forbes가 이끄는 과학자 팀은 빛의 키랄성(일명 오른쪽- 또는 왼손-방향)과 회전을 프로그래밍하고 제어하는 방법을 발견했습니다.
광학에서 키랄성은 일반적으로 원형 편광(빛이 이동할 때 전기장이 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전함)과 관련됩니다.
UEA의 화학, 약학 및 약리학 대학에서 강사로 광{1}물질 및 나노포토닉스 이론 그룹을 이끌고 있는 Forbes는 "우리 연구는 물질 인터페이스, 메타표면 또는 매우 정밀한 초점 조정 없이 빛이 전파를 통해 자체적인 국지적 방향성을 생성하고 제어할 수 있는지 여부에 대한 질문에서 동기를 부여받았습니다."라고 말했습니다.
토폴로지 전하 조정
토폴로지는 공간 주위를 휘감는 광선의 위상과 편광을 통해 들어갑니다. "구조화된 조명을 사용하면 이러한 아이디어를 하나로 모아 빔 전체에 걸쳐 위상과 편광이 정밀하게 변하는 빔을 설계할 수 있습니다."라고 Forbes는 설명합니다. "우리는 단순한 제어 손잡이 역할을 하는 빔의 토폴로지 가능성에 관심이 있었습니다. 판차라트남 토폴로지 전하(하나의 매개변수)를 변경함으로써 전파 중에 빛의 국지적 스핀과 키랄성이 스스로 재구성되도록 할 수 있습니다."
효과 자체에는 특별한 재료가 필요하지 않다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 이 경우 구조화된 광선-벡터 소용돌이 광선의 자유-공간 전파 중에 스핀과 키랄성이 나타납니다.
벡터 와류 빔이란 무엇입니까? "벡터는 편광이 균일하지 않고 빔 전체에 걸쳐 다양하다는 것을 의미합니다."라고 Forbes는 말합니다. "와류는 빔이 뒤틀린 위상 정면과 관련된 궤도 각 운동량을 전달한다는 것을 의미합니다. 그리고 토폴로지는 빔이 자체 축을 중심으로 비틀리는 방식을 통해 들어갑니다. 우리 연구에서 이 비틀림은 빔 주위를 이동할 때 빔의 위상과 편광이 어떻게 변하는지를 설정하는 판차라트남 토폴로지 전하에 의해 제어됩니다."
시작 평면에서 빔은 스핀 균형을 유지합니다-. 왼쪽- 및 오른쪽-원형 구성 요소가 동일하게 존재하므로 국소 원형 편파가 없습니다. "그러나 이 두 구성 요소는 서로 다른 궤도 구조를 가지고 있습니다"라고 Forbes는 지적합니다. "빔이 전파됨에 따라 서로 다른 Gouy 위상과 서로 다른 방사형 프로필을 얻습니다. 이로 인해 오른쪽- 및 왼쪽- 원형 구성 요소가 방사형으로 분리되어 국지적 스핀과 광학적 키랄성이 생성됩니다."
효과 자체에는 특별한 재료가 필요하지 않다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 이 경우 구조화된 광선-벡터 소용돌이 광선의 자유-공간 전파 중에 스핀과 키랄성이 나타납니다.
벡터 와류 빔이란 무엇입니까? "벡터는 편광이 균일하지 않고 빔 전체에 걸쳐 다양하다는 것을 의미합니다."라고 Forbes는 말합니다. "와류는 빔이 뒤틀린 위상 정면과 관련된 궤도 각 운동량을 전달한다는 것을 의미합니다. 그리고 토폴로지는 빔이 자체 축을 중심으로 비틀리는 방식을 통해 들어갑니다. 우리 연구에서 이 비틀림은 빔 주위를 이동할 때 빔의 위상과 편광이 어떻게 변하는지를 설정하는 판차라트남 토폴로지 전하에 의해 제어됩니다."
시작 평면에서 빔은 스핀 균형을 유지합니다-. 왼쪽- 및 오른쪽-원형 구성 요소가 동일하게 존재하므로 국소 원형 편파가 없습니다. "그러나 이 두 구성 요소는 서로 다른 궤도 구조를 가지고 있습니다"라고 Forbes는 지적합니다. "빔이 전파됨에 따라 서로 다른 Gouy 위상과 서로 다른 방사형 프로필을 얻습니다. 이로 인해 오른쪽- 및 왼쪽- 원형 구성 요소가 방사형으로 분리되어 국지적 스핀과 광학적 키랄성이 생성됩니다."
구조화된 광 포토닉스, 광학 조작, 키랄 감지
앞으로 가장 확실한 세 가지 응용 분야는 구조화된 광 포토닉스, 광학 조작 및 키랄 감지일 가능성이 높습니다. 또 다른 잠재적인 용도는 고차원 광자 정보 처리입니다. 왜냐하면 빔이 제어 가능한 방식으로 회전과 궤도 각운동량을 연결하기 때문입니다.
"원칙적으로 우리의 발견은 정보가 편광(회전하는 빛)과 공간 모드(뒤틀린 빛) 내에서 인코딩될 수 있는 고전적 및 양자 구조적 빛 모두와 관련이 있습니다"라고 Nape는 말합니다. "광자 스핀과 비틀림은 밝은 레이저 빔과 단일 광자 수준에서 알파벳으로 사용될 수 있습니다. 각각의 고유한 상태는 서로 다른 정보 기호를 나타냅니다."
팀의 현재 작업은 고전적인 광학 물리학이지만 동일한 자유도, 스핀, 궤도 각운동량 및 공간 모드 구조가 양자 광자에도 사용됩니다. "우리의 장기적인-관심은 이러한 종류의 토폴로지-제어 스핀-궤도 구조가 고차원 광자 상태를 준비, 변환 또는 인코딩하는 데 유용할 수 있는지 여부입니다."라고 Nape는 말합니다.
다음으로, 연구자들은 이 메커니즘이 얼마나 일반적이고 유용한지 탐구할 계획입니다. "우리는 Pancharatnam 토폴로지 전하가 자유 공간 전파를 위해 스핀과 키랄성을 제어할 수 있다는 것을 보여주었습니다. 이제 문제는 이 제어가 얼마나 멀리까지 추진될 수 있는지입니다."라고 Nape는 말합니다. "우리는 정보 인코딩, 광학 조작 및 키랄 광-물질 상호 작용에 어떻게 사용할 수 있는지에도 관심이 있습니다. 우리의 더 넓은 목표는 흥미로운 구조화된 조명 효과를 보여주는 것에서 이를 실용적인 디자인 원리로 개발하는 것입니다."
