Science >> Wetenschap >  >> Fysica

Nieuw laserexperiment draait licht als een draaimolen

Gedetailleerde experimentele configuratie. Credit:Fysieke beoordeling X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.011031

In het dagelijks leven lijkt licht ongrijpbaar. We lopen er doorheen en creëren en doven het met een druk op de knop. Maar net als materie heeft licht eigenlijk een kleine stoot:het heeft momentum. Licht duwt voortdurend dingen en kan zelfs worden gebruikt om ruimtevaartuigen voort te duwen. Licht kan ook objecten laten draaien als het een orbitaal impulsmoment (OAM) heeft, de eigenschap die verband houdt met de neiging van een roterend object om te blijven draaien.



Wetenschappers weten al sinds het begin van de jaren negentig dat licht OAM kan hebben, en ze hebben ontdekt dat de OAM van licht geassocieerd is met wervelingen of wervels in de lichtfase – de positie van de pieken of dalen van de elektromagnetische golven waaruit het licht bestaat. . Aanvankelijk concentreerde het onderzoek naar OAM zich op wervels die voorkomen in de dwarsdoorsnede van een lichtbundel:de fase draait als de propeller van een vliegtuig dat langs het pad van het licht vliegt.

Maar de afgelopen jaren hebben natuurkundigen van de UMD, onder leiding van UMD-hoogleraar natuurkunde Howard Milchberg, ontdekt dat licht zijn OAM kan dragen in een draaikolk die naar de zijkant is gedraaid:de fase draait als een wiel van een auto en rolt mee met het licht. De onderzoekers noemden deze lichtstructuren spatio-temporele optische wervels (STOV's) en beschreven het momentum dat ze dragen als transversale OAM.

"Vóór onze experimenten werd niet beseft dat lichtdeeltjes (fotonen) zijwaarts gerichte OAM konden hebben", zegt Milchberg. "Collega's vonden het aanvankelijk raar of verkeerd. Nu groeit het onderzoek naar STOV's wereldwijd snel, met mogelijke toepassingen op gebieden als optische communicatie, niet-lineaire optica en exotische vormen van microscopie."

In een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review X beschrijft het team een ​​nieuwe techniek die ze gebruikten om de transversale OAM van een lichtpuls tijdens het reizen te veranderen. Hun methode vereist wat laboratoriumgereedschap, zoals gespecialiseerde lasers, maar in veel opzichten lijkt het op het draaien van een draaimolen op een speelplaats of het draaien van een moersleutel.

"Omdat STOV's een nieuw vakgebied zijn, is ons hoofddoel het verkrijgen van een fundamenteel begrip van hoe ze werken. En een van de beste manieren om dat te doen is door met ze te knoeien", zegt Scott Hancock, postdoctoraal onderzoeker in de UMD-fysica en eerste auteur van de krant. "Wat zijn in principe de natuurkundige regels voor het veranderen van de transversale OAM van een lichtpuls?"

In eerder werk beschreven Milchberg, Hancock en collega's hoe ze lichtpulsen creëerden en observeerden die transversale OAM dragen, en in een artikel gepubliceerd in Physical Review Letters in 2021 presenteerden ze een theorie die beschrijft hoe deze OAM kan worden berekend en die een routekaart biedt voor het veranderen van de transversale OAM van een STOV.

De gevolgen die in de teamtheorie worden beschreven, verschillen niet zoveel van de fysica die speelt als kinderen op een speelplaats zijn. Als je een draaimolen draait, verander je het impulsmoment door erop te duwen, en de effectiviteit van een duw hangt af van waar je de kracht uitoefent - je krijgt niets als je de as naar binnen duwt en de grootste verandering als je zijwaarts duwt de buitenrand.

De massa van de draaimolen en alles erop heeft ook invloed op het impulsmoment. Kinderen die bijvoorbeeld van een bewegende draaimolen springen, nemen een deel van het hoekmomentum mee, waardoor de draaimolen gemakkelijker te stoppen is.

De theorie van het team over de transversale OAM van licht lijkt sterk op de fysica die de draaiing van een draaimolen bepaalt. Hun draaimolen is echter een schijf gemaakt van lichtenergie, ingedeeld in één dimensie van ruimte en een andere van tijd in plaats van twee ruimtelijke dimensies, en de as beweegt met de snelheid van het licht.

Hun theorie voorspelt dat het duwen op verschillende delen van een draaimolen de transversale OAM in verschillende hoeveelheden kan veranderen en dat als een beetje licht door een stofje wordt verstrooid en de puls verlaat, de puls een deel van de transversale lichtpuls verliest. OAM mee.

Het team concentreerde zich op het testen van wat er gebeurde als ze de dwarse OAM-wervelingen een duw gaven. Maar het veranderen van de transversale OAM van een lichtpuls is niet zo eenvoudig als het een stevige duw geven aan een draaimolen; er is geen enkele zaak om je aan vast te grijpen en kracht uit te oefenen. Om de transversale OAM van een lichtpuls te veranderen, moet je de fase ervan verschuiven.

Terwijl licht door de ruimte reist, verschuift de fase op natuurlijke wijze, en hoe snel de fase verandert, hangt af van de brekingsindex van het materiaal waar het licht doorheen reist. Dus Milchberg en het team voorspelden dat als ze een snelle verandering in de brekingsindex op geselecteerde locaties in de puls konden creëren terwijl deze voorbij vloog, dit deel van de puls zou bewegen.

Onderzoekers die eerder lichtwervelingen genereerden die zij omschrijven als ‘edge-first vliegende donuts’ hebben nu experimenten uitgevoerd waarbij ze het pad van de wervels halverwege de vlucht verstoren om veranderingen in hun momentum te bestuderen. Credit:Intense Laser-Matter Interactions Lab, UMD

Als de hele puls echter door het gebied met een nieuwe brekingsindex gaat, voorspelden ze dat er geen verandering in de OAM zou optreden, alsof iemand aan de andere kant van een draaimolen zou proberen deze te vertragen terwijl jij bezig bent. proberen het te versnellen.

Om hun theorie te testen, moest het team het vermogen ontwikkelen om een ​​klein deel van een puls te laten bewegen met de snelheid van het licht. Gelukkig had het laboratorium van Milchberg al de juiste hulpmiddelen uitgevonden. In meerdere eerdere experimenten heeft de groep licht gemanipuleerd door lasers te gebruiken voor de snelle generatie van plasma's – een fase van materie waarin elektronen zijn losgescheurd van hun atomen. Het proces is nuttig omdat het plasma een nieuwe brekingsindex met zich meebrengt.

In het nieuwe experiment gebruikte het team een ​​laser om smalle plasmakolommen te maken, die zij transiënte draden noemden, die klein genoeg zijn en snel genoeg tot stand komen om zich op specifieke delen van de puls midden in de vlucht te richten. De brekingsindex van een tijdelijke draad speelt de rol van een kind dat de draaimolen voortduwt.

De onderzoekers genereerden de tijdelijke draad en lijnden al hun bundels nauwgezet uit, zodat de draad precies het gewenste deel van de OAM-dragende puls onderschepte. Nadat een deel van de puls door de draad was gegaan en een tik had gekregen, bereikte de puls een speciale optische pulsanalysator die het team had uitgevonden. Zoals voorspeld ontdekten de onderzoekers, toen ze de verzamelde gegevens analyseerden, dat de brekingsindexbeweging de transversale OAM van de puls veranderde.

Vervolgens brachten ze kleine aanpassingen aan in de oriëntatie en timing van de transiënte draad om verschillende delen van de lichtpuls te richten. Het team voerde meerdere metingen uit waarbij de transiënte draad door de boven- en onderkant van twee soorten pulsen liep:STOV's die al transversale OAM droegen en een tweede type, een Gaussiaanse puls genaamd, zonder enige OAM.

Voor de twee gevallen die overeenkomen met het duwen van een draaiende of stilstaande draaimolen, ontdekten ze dat de grootste duw werd bereikt door het aanbrengen van een kortstondige draadbeweging nabij de boven- en onderrand van de lichtpuls.

Voor elke positie pasten ze ook de timing van de tijdelijke draadlaser op verschillende runs aan, zodat verschillende hoeveelheden van de puls door het plasma reisden en de vortex een andere hoeveelheid kick kreeg. Onderzoekers die eerder lichtwervelingen genereerden die zij omschrijven als "edge-first vliegende donuts" hebben nu experimenten uitgevoerd waarbij ze het pad van de wervels halverwege de vlucht verstoren om veranderingen in hun momentum te bestuderen. Afbeelding tegoed:Intense Laser-Matter Interactions Lab, UMD

Onderzoekers die eerder lichtwervelingen genereerden die zij omschrijven als "edge-first vliegende donuts" hebben nu experimenten uitgevoerd waarbij ze het pad van de wervels halverwege de vlucht verstoren om veranderingen in hun momentum te bestuderen. Afbeelding tegoed:Intense Laser-Matter Interactions Lab, UMD

Het team liet ook zien dat, net als bij een draaimolen, duwen met de draai OAM toevoegt, en ertegen duwen verwijdert OAM. Omdat tegenovergestelde randen van de optische draaimolen in tegengestelde richtingen bewegen, zou de plasmadraad beide rollen kunnen vervullen door van positie te veranderen, ook al wordt hij altijd in dezelfde richting geduwd. De groep zegt dat de berekeningen die ze op basis van hun theorie hebben uitgevoerd, uitstekend overeenkomen met de resultaten van hun experiment.

"Het blijkt dat ultrasnel plasma een precisietest is voor onze transversale OAM-theorie", zegt Milchberg. "Het registreert een meetbare verstoring van de hartslag, maar niet zo'n sterke verstoring dat de hartslag volledig in de war raakt."

Het team is van plan door te gaan met het onderzoeken van de fysica die verband houdt met transversale OAM. De technieken die ze hebben ontwikkeld kunnen nieuwe inzichten opleveren in hoe OAM in de loop van de tijd verandert tijdens de interactie van een intense laserstraal met materie (dat is waar het laboratorium van Milchberg voor het eerst transversale OAM ontdekte).

De groep is van plan toepassingen van transversale OAM te onderzoeken, zoals het coderen van informatie in de wervelende lichtpulsen. Hun resultaten uit dit experiment tonen aan dat de natuurlijk voorkomende fluctuaties in de brekingsindex van lucht te langzaam zijn om de transversale OAM van een puls te veranderen en de informatie die deze bevat te vervormen.

"Het bevindt zich in een vroeg stadium van dit onderzoek", zegt Hancock. "Het is moeilijk te zeggen waar het heen zal gaan. Het lijkt echter veel belofte te bieden voor fundamentele natuurkunde en toepassingen. Het spannend noemen is een understatement."

Meer informatie: S. W. Hancock et al., Spatiotemporal Torquing of Light, Physical Review X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.011031

Journaalinformatie: Fysieke beoordeling X , Fysieke beoordelingsbrieven

Aangeboden door Universiteit van Maryland




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Niveaus van celorganisatie
  2. Voors en tegens van Forensic Science
  3. Begrazingsbeheer voor vee compatibel met nestelende saliekorhoen
  4. Anafase: wat gebeurt er in dit stadium van mitose en meiose?
  5. Het geheime leven van eilanddieren
  6. Hoe eiwitten samenkomen, speelt mogelijk een ondergewaardeerde rol bij ziekte
  7. Het leven van een albatros:individualiteit aanpakken in populatiestudies
  8. Veel vis in de zee? Niet noodzakelijk, zoals de geschiedenis laat zien
  9. Verschillen tussen gisten en vormpjes

Wetenschap