Licht reist met een snelheid van ongeveer 300, 000, 000 meter per seconde als lichte deeltjes, fotonen, of equivalent als elektromagnetische veldgolven. Experimenten onder leiding van Hrvoje Petek, een RK Mellon-professor bij de afdeling Natuur- en Sterrenkunde onderzocht ideeën over de oorsprong van licht, het maken van foto's van licht, licht tegenhouden en gebruiken om eigenschappen van materie te veranderen.

Petek werkte samen met studenten en medewerkers Prof. Chen-Bin (Robin) Huang van de National Tsing Hua University in Taiwan, en Atsushi Kubo van de Tsukuba University of Japan over de experimenten. Hun bevindingen werden gerapporteerd in de krant, "Plasmonische topologische quasideeltjes op de nanometer- en femtosecondeschaal, " die werd gepubliceerd in het nummer van 24 december van" Natuur tijdschrift.

Petek heeft de afgestudeerde student Yanan Dai gecrediteerd voor zijn vooruitziende blik en werk in het proces.

"De ontknoping van het onderzoek, echter, is dat Yanan, die de experimenten uitvoerde en de theoretische modellering leverde, toonde aan dat hij ver boven het niveau van zijn professor was opgeleid en de nanofemto-topologische eigenschappen en interacties van optische velden scherp kon interpreteren, " hij zei.

Het team voerde een ultrasnel microscopie-experiment uit, waar ze groene lichtpulsen van 20 fs (2x10 ^-14 s) duur als samengestelde licht-elektronendichtheidsfluctuatiegolven, bekend als oppervlakteplasmonpolaritonen, en beeldden hun voortplanting af op een zilveren oppervlak met de snelheid van het licht. Maar ze deden dit met een draai, zodat de lichtgolven van twee kanten samenkwamen om een ​​lichtvortex te vormen waar lichtgolven als een wervelwind van golven om een ​​stationaire gemeenschappelijke kern lijken te circuleren. Ze zouden een film kunnen maken van hoe lichtgolven op hun nanometer (10 ^-9 m) golflengteschaal door elektronen af ​​te beelden die twee lichtfotonen die samenkomen, vanaf het oppervlak uitzenden.

Door al dergelijke elektronen te verzamelen met een elektronenmicroscoop, worden beelden gevormd waar het licht was doorgelaten, waardoor de onderzoekers de momentopname ervan kunnen maken. Natuurlijk, als niets sneller is dan het licht, men kan geen momentopname maken, maar door twee lichtpulsen in te sturen met hun tijdsscheiding vervroegd in 10 ^-16 s stappen, ze konden zich voorstellen hoe lichtgolven samenkomen waardoor hun gezamenlijke amplitude op vaste punten in de ruimte stijgt en daalt en een lichte vortex op de nano vormt (10 ^-9 m)-femto (10 ^-15 s) schaal.

Zulke lichte draaikolken vormen zich wanneer je je rode of groene laserpointer op een ruw oppervlak schijnt en een spikkelreflectie ziet, maar ze hebben ook een kosmologische betekenis. De lichte vortexvelden kunnen mogelijk overgangen veroorzaken in de kwantummechanische fasevolgorde in vastestofmaterialen, zodanig dat de getransformeerde materiële structuur en zijn spiegelbeeld niet over elkaar heen kunnen worden gelegd. Met andere woorden, de betekenis van de draaikolkrotatie genereert twee materialen die topologisch verschillend zijn.

Petek zei dat dergelijke topologische faseovergangen de voorhoede vormen van natuurkundig onderzoek, omdat men denkt dat ze verantwoordelijk zijn voor sommige aspecten van de structuur van het heelal.

"Zelfs de krachten van de natuur, inclusief licht, worden verondersteld te zijn ontstaan ​​als symmetriebrekende overgangen van een oerveld. Dus, de mogelijkheid om de optische velden en plasmonische wervels in het experiment vast te leggen, opent de weg om ultrasnelle microscopiestudies uit te voeren van gerelateerde lichtgeïnitieerde faseovergangen in materialen van gecondenseerde materie op laboratoriumschaal, " hij zei.