Verso i sei anni, iniziamo a imparare come allacciare i lacci delle scarpe, fare nodi che sembrano nastri o forse forme più complesse, se siamo un po' goffi. Usiamo nodi ogni giorno, ma il tipo di nodi che generalmente usiamo sono associati a oggetti fisici, cose che possiamo toccare.

Anche se può essere difficile da immaginare, la luce può anche essere modellata in modi che formano configurazioni annodate, la cui forma dipende dal momento angolare orbitale della luce. Questo parametro è responsabile della rotazione del raggio di luce attorno al proprio asse, generando diverse forme di nodi, ed espandersi a un nuovo grado di libertà che può trasportare informazioni preziose.

Imparare e padroneggiare come generare luce contorta, luce con momento angolare orbitale, è stato un fiorente campo di studio negli ultimi 20 anni. A differenza del momento angolare di spin, che è associato alla polarizzazione della luce, il momento angolare orbitale è associato alla distribuzione spaziale del campo elettrico. Questi due tipi di momento angolare possono anche essere accoppiati, che si traduce in una varietà di campi luminosi di forme diverse con polarizzazioni che cambiano da punto a punto.

Il comportamento della luce si arricchisce anche quando passa dall'oscillare ad una sola frequenza (luce monocromatica) al vibrare a molte frequenze differenti. Questo introduce una vasta gamma di stati di polarizzazione, ognuna descrive una forma che può essere tracciata dal campo elettrico della luce nel tempo. La combinazione di questo più ampio spazio di possibilità con le variazioni spaziali prodotte dal momento angolare orbitale dovrebbe produrre ancora più spazio per connessioni interessanti, ma fino ad ora questa è stata una frontiera inesplorata:mentre c'è un ampio corpo di ricerca sulla luce strutturata, è stato essenzialmente focalizzato su campi monocromatici.

In un recente studio, pubblicato in due articoli, collaborazioni congiunte di ricercatori ICFO hanno aperto terreno teorico e sperimentale in questo nuovo campo, scoprendo nuovi tipi di nodi per la luce contorta e un nuovo tipo di momento angolare.

Nella prima carta, pubblicato in Fotonica della natura , Il ricercatore ICFO Emilio Pisanty, Gerard Jiménez Machado, Veronica Vicuña Hernández, Antonio Picón e Alessio Celi, guidato dal Prof. ICREA all'ICFO Maciej Lewenstein e dal Prof. UPC all'ICFO Juan P. Torres, hanno progettato un fascio di luce con uno stato di polarizzazione che forma trilobati trilobati in ogni punto, combinando luce di diverse frequenze (w e 2w), e facendo connettere tra loro i trifogli in modo tale che il raggio di luce, nel complesso, ha la forma di un nodo.

Questi raggi mostrano anche un nuovo tipo di momento angolare, associata all'insolita simmetria delle travi, che rimangono invarianti sotto rotazioni, ma solo quando la polarizzazione viene ruotata di una frazione specifica della rotazione della dipendenza spaziale. Hanno chiamato questa nuova quantità il momento angolare del nodo toroidale, a causa del tipo di nodo nelle travi.

I ricercatori hanno anche implementato questi fasci sperimentalmente, usando cristalli non lineari per generare i fasci, e hanno progettato uno schema di tomografia a polarizzazione non lineare per misurare le forme del trifoglio tracciate dal campo elettrico. Le loro misurazioni mostrano la presenza di un nuovo tipo di singolarità ottica topologicamente protetta e robusta contro le perturbazioni, causato dal diverso orientamento dei trifogli di polarizzazione in punti diversi attorno a un centro polarizzato circolarmente.

Nella seconda carta, pubblicato in Lettere di revisione fisica , I ricercatori ICFO Emilio Pisanty e Antonio Picón, guidato dal Professore ICREA presso ICFO Maciej Lewenstein, in collaborazione con i ricercatori del gruppo Laser Applications and Photonics dell'Università di Salamanca e della CU Boulder, mostrano che questa nuova singolarità ottica può essere applicata all'ottica non lineare, anche agli estremi di alta intensità e in situazioni non perturbative.

Lì mostrano, tramite simulazioni teoriche, che le armoniche di ordine superiore prodotte dai fasci toroidali ad intensità ultra elevate preservano la simmetria coordinata del laser pilota, formando spirali attorcigliate di impulsi di luce ultracorti, e che il momento angolare toro-nodo si conserva nell'interazione. Questa nuova simmetria è essenziale per comprendere la produzione di luce sagomata a lunghezze d'onda molto corte, che può essere utilizzato per nuove applicazioni in microscopia, litografia e spettroscopia.

I risultati di entrambi gli studi forniscono nuove strutture e risultati che fanno avanzare lo studio della luce strutturata e dell'ottica non lineare. Da una parte, i ricercatori sono stati in grado di trovare nuove leggi di conservazione per l'ottica non lineare che valgono anche in situazioni estreme in cui decine o centinaia di fotoni si combinano per formare singoli fotoni ad alta frequenza. Dall'altra, hanno analizzato i campi guida che lo rendono possibile e hanno mostrato che contengono una nuova singolarità ottica, con un nuovo grado di libertà che potrebbe essere utilizzato per memorizzare informazioni preziose, aprendo la possibilità di utilizzare queste nuove topologie di luce per future applicazioni di comunicazione, tra gli altri.