Onderzoekers van Skoltech, de Universiteit van IJsland en de Universiteit van Southampton hebben de vorming aangetoond van een vreemde, nooit eerder geziene entiteit uit het rijk van de kwantumfysica:een cluster van optische wervels met periodieke ladingswisselingen. Fundamentele studies van optische wervels houden de belofte in van toepassingen in optische microscopie, kwantumcryptografie, optische communicatie met verbeterde bandbreedte, analoge berekening en optische pincettechnologie. Het onderzoek is gepubliceerd in Physical Review Letters en stond op de omslag van het nummer.

Een optische vortex is licht dat als een spiraal rond zijn voortplantingsas is gedraaid. Geprojecteerd op een plat oppervlak, verschijnt het als een ring met een donkere vlek in het midden. Een vortex heeft een zogenaamde topologische lading, die je kunt zien als een getal dat aangeeft hoe snel hij draait en in welke richting.

De recente studie rapporteert hoe de auteurs erin slaagden om vier van dergelijke wervels als een cluster te induceren en ontdekten dat hun ladingen op een regelmatige manier varieerden, met een periode van een vijfde van een nanoseconde. Hoewel eerder optische vortexclusters of -roosters waren waargenomen, wordt voor het eerst een dergelijke snelle ladingsoscillatie gerapporteerd.

Wat optische wervels interessant maakt

Optische wervels bieden als zodanig een intrigerende mogelijkheid om de bandbreedtebeperking van glasvezelcommunicatielijnen te overwinnen. Er zijn maar zoveel transmissiekanalen die u in een optische vezel kunt inpakken, wat betekent dat er een limiet is aan de bandbreedte. Twee wervels, zelfs bij dezelfde golflengte van licht, konden echter worden onderscheiden door hun lading, dus in zekere zin bezetten ze verschillende kanalen. Zo'n kanaal "vermenigvuldiging" staat bekend als multiplexen.

Een andere opwindende toepassing is een optisch pincet. Dit zijn speciaal geprepareerde laserstralen voor het vasthouden of manipuleren van microscopische objecten zoals atomen, nanodeeltjes of zelfs biologische cellen. Deze pincettechnologie, die sinds de jaren 80 wordt gebruikt, kan worden verbeterd met behulp van optische wervels, waardoor een object in een ring van licht kan worden gevangen en kan worden rondgedraaid, dankzij de draaiende aard van de vortex.

Hoe maak je een optische vortexcluster met periodieke ladingwisseling

De experimenten werden uitgevoerd in het Hybrid Photonics Laboratory van Skoltech, geleid door professor Pavlos Lagoudakis, de vice-president van het Instituut voor fotonica. De wervelingen in het onderzoek werden gegenereerd in een systeem dat bekend staat als microcavity exciton-polaritons.

In de experimenten gebruikten de onderzoekers een halfgeleider microcavity-structuur - twee sterk reflecterende dicht bij elkaar liggende spiegels met daartussenin ingeklemde kwantumputten. Dit zorgt voor de lichtlokalisatie en sterke interactie met het halfgeleidermedium, wat aanleiding geeft tot quasideeltjes die polaritonen worden genoemd - gekoppelde toestanden van de elektronen en gaten in het materiaal en de fotonen in de invallende laserstraal.

"De vangst was dat we ervoor moesten zorgen dat de lading van elke vortex willekeurig was om mee te beginnen, en vrij zou evolueren volgens de gecondenseerde kwantumdynamische regels. Dit betekent dat het systeem spontaan zijn vortexen zou regelen, wat opkomend gedrag impliceert. Dus we konden niet zomaar een vortex-rooster in ons systeem afdrukken met een laser, want dat zou vortices met bekende ladingen creëren en elke spontaniteit wegnemen", de eerste auteur van het artikel, Skoltech Ph.D. student Kirill Sitnik, heeft gereageerd.

"We hebben polaritons geëxciteerd met een ringvormige laserstraal. Bij het kritische excitatievermogen waren sommige polaritons gelokaliseerd in een optisch geïnduceerde effectieve val, een superpositie van macroscopische gekwantiseerde toestanden innemend met zelf-geordende wervels die op een periodieke manier oscilleren," de studie's PI Pavlos Lagoudakis zei. + Verder verkennen

Onderzoekers gebruiken silicium nanodeeltjes om samensmelting van gekwantiseerde vortices die voorkomen in supervloeibaar helium te visualiseren