Rond de leeftijd van zes, we beginnen te leren hoe we onze schoenveters moeten strikken, knopen maken die op linten lijken - of mogelijk complexere vormen, als we een beetje onhandig zijn. We gebruiken elke dag knopen, maar het type knopen dat we over het algemeen gebruiken, wordt geassocieerd met fysieke objecten, dingen die we kunnen aanraken.

Hoewel het moeilijk kan zijn om het in beeld te brengen, licht kan ook worden gevormd op manieren die geknoopte configuraties vormen, waarvan de vorm afhangt van het baanimpulsmoment van het licht. Deze parameter zorgt ervoor dat de lichtstraal om zijn eigen as draait, het genereren van verschillende knoopvormen, en uitbreiden naar een nieuwe mate van vrijheid die waardevolle informatie kan bevatten.

Leren en beheersen hoe je gedraaid licht kunt genereren - licht met orbitaal impulsmoment - is de afgelopen 20 jaar een bloeiend studiegebied geweest. In tegenstelling tot spinimpulsmoment, die wordt geassocieerd met de polarisatie van licht, orbitaal impulsmoment wordt geassocieerd met de ruimtelijke verdeling van het elektrische veld. Deze twee soorten impulsmoment kunnen ook worden gekoppeld, wat resulteert in een verscheidenheid aan lichtvelden van verschillende vormen met polarisaties die van punt tot punt veranderen.

Het gedrag van licht wordt ook rijker wanneer het overgaat van oscilleren op één enkele frequentie (monochromatisch licht) naar trillen op veel verschillende frequenties. Dit introduceert een breed scala aan polarisatietoestanden, elk beschrijft een vorm die in de loop van de tijd kan worden gevolgd door het elektrische veld van het licht. Door deze grotere ruimte van mogelijkheden te combineren met de ruimtelijke variaties die worden geproduceerd door het baanimpulsmoment, zou nog meer ruimte moeten ontstaan ​​voor interessante verbindingen, maar tot nu toe was dit een onbekende grens:hoewel er veel onderzoek is gedaan naar gestructureerd licht, het is in wezen gericht op velden met één kleur.

In een recente studie, gepubliceerd in twee artikelen, gezamenlijke samenwerkingen van ICFO-onderzoekers hebben de theoretische en experimentele grond op dit nieuwe gebied gebroken, het blootleggen van nieuwe soorten knopen voor gedraaid licht en een nieuw type impulsmoment.

In het eerste blad, gepubliceerd in Natuurfotonica , ICFO-onderzoekers Emilio Pisanty, Gerard Jimenez Machado, Veronica Vicuña Hernández, Antonio Picón en Alessio Celi, onder leiding van ICREA Prof. bij ICFO Maciej Lewenstein en UPC Prof. bij ICFO Juan P. Torres, hebben een lichtstraal ontworpen met een polarisatietoestand die op elk punt drielobbige klavertjes vormt, door licht van verschillende frequenties (w en 2w) te combineren, en de trefoils zodanig met elkaar te verbinden dat de lichtstraal, Als geheel, heeft de vorm van een knoop.

Deze bundels vertonen ook een nieuw soort impulsmoment, geassocieerd met de ongebruikelijke symmetrie van de balken, die invariant blijven onder rotaties - maar alleen wanneer de polarisatie wordt geroteerd door een specifieke fractie van de rotatie van de ruimtelijke afhankelijkheid. Ze noemden deze nieuwe hoeveelheid het torusknoop-impulsmoment, vanwege het type knoop in de balken.

De onderzoekers implementeerden deze bundels ook experimenteel, met behulp van niet-lineaire kristallen om de stralen te genereren, en ze ontwierpen een niet-lineair polarisatietomografieschema om de klavervormen te meten die door het elektrische veld worden getraceerd. Hun metingen tonen de aanwezigheid aan van een nieuw type optische singulariteit die topologisch beschermd en robuust is tegen verstoringen, veroorzaakt door de verschillende oriëntatie van de polarisatie trefoils op verschillende punten rond een circulair gepolariseerd centrum.

In het tweede blad gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , ICFO-onderzoekers Emilio Pisanty en Antonio Picón, onder leiding van ICREA Professor bij ICFO Maciej Lewenstein, in samenwerking met onderzoekers van de groep Laser Applications and Photonics aan de Universiteit van Salamanca en van CU Boulder, laten zien dat deze nieuwe optische singulariteit kan worden toegepast op niet-lineaire optica, zelfs bij de extremen van hoge intensiteit en in niet-perturbatieve situaties.

Daar laten ze zien, via theoretische simulaties, dat de hoge-orde harmonischen geproduceerd door de torus-knoopbundels bij ultrahoge intensiteiten de gecoördineerde symmetrie van de aansturende laser behouden, het vormen van gedraaide spiralen van ultrakorte lichtpulsen, en dat het torus-knoop impulsmoment behouden blijft in de interactie. Deze nieuwe symmetrie is essentieel voor het begrijpen van de productie van gevormd licht bij zeer korte golflengten, die kunnen worden gebruikt voor nieuwe toepassingen in microscopie, lithografie en spectroscopie.

De resultaten van beide onderzoeken bieden nieuwe kaders en resultaten die de studie van gestructureerd licht en niet-lineaire optica bevorderen. Aan de ene kant, de onderzoekers waren in staat om nieuwe behoudswetten te vinden voor niet-lineaire optica die zelfs gelden in extreme situaties waarin tientallen of honderden fotonen worden gecombineerd om enkele hoogfrequente fotonen te vormen. Op de andere, ze analyseerden de aandrijfvelden die dit mogelijk maken en toonden aan dat ze een nieuwe optische singulariteit bevatten, met een nieuwe mate van vrijheid die kan worden gebruikt om waardevolle informatie op te slaan, de mogelijkheid openen om deze nieuwe lichttopologieën te gebruiken voor toekomstige communicatietoepassingen, onder andere.