Nella vita di tutti i giorni la luce sembra intangibile. Lo attraversiamo, lo creiamo e lo estinguiamo premendo un interruttore. Ma, come la materia, la luce in realtà ha una piccola forza:ha slancio. La luce spinge costantemente le cose e può anche essere usata per spingere i veicoli spaziali. La luce può anche far ruotare gli oggetti se è dotata di momento angolare orbitale (OAM), la proprietà associata alla tendenza di un oggetto rotante a continuare a ruotare.
Gli scienziati sanno che la luce può avere OAM fin dai primi anni '90, e hanno scoperto che l'OAM della luce è associato a turbinii o vortici nella fase della luce:la posizione dei picchi o delle valli delle onde elettromagnetiche che compongono la luce . Inizialmente, la ricerca sull'OAM si concentrava sui vortici che esistono nella sezione trasversale di un raggio di luce:la fase che gira come l'elica di un aereo che vola lungo il percorso della luce.
Ma negli ultimi anni, i fisici dell’UMD, guidati dal professore di fisica dell’UMD Howard Milchberg, hanno scoperto che la luce può trasportare il suo OAM in un vortice girato di lato:la fase gira come una ruota di un’auto, rotolando insieme alla luce. I ricercatori hanno chiamato queste strutture leggere vortici ottici spazio-temporali (STOV) e hanno descritto lo slancio che trasportano come OAM trasversale.
"Prima dei nostri esperimenti, non si sapeva che le particelle di luce, i fotoni, potessero avere un OAM rivolto lateralmente", afferma Milchberg. "All'inizio i colleghi pensavano che fosse strano o sbagliato. Ora, la ricerca sugli STOV è in rapida crescita in tutto il mondo, con possibili applicazioni in settori quali le comunicazioni ottiche, l'ottica non lineare e forme esotiche di microscopia."
In un articolo pubblicato sulla rivista Physical Review X , il team descrive una nuova tecnica utilizzata per modificare l'OAM trasversale di un impulso luminoso mentre viaggia. Il loro metodo richiede alcuni strumenti di laboratorio, come laser specializzati, ma per molti versi assomiglia a far girare una giostra in un parco giochi o a girare una chiave inglese.
"Poiché gli STOV sono un campo nuovo, il nostro obiettivo principale è acquisire una comprensione fondamentale di come funzionano. E uno dei modi migliori per farlo è scherzare con loro", afferma Scott Hancock, ricercatore post-dottorato di fisica dell'UMD e primo autore di la carta. "Fondamentalmente, quali sono le regole fisiche per modificare l'OAM trasversale di un impulso luminoso?"
In un lavoro precedente, Milchberg, Hancock e colleghi hanno descritto come hanno creato e osservato impulsi di luce che trasportano l'OAM trasversale e in un articolo pubblicato su Physical Review Letters nel 2021, hanno presentato una teoria che descrive come calcolare questo OAM e fornisce una tabella di marcia per modificare l'OAM trasversale di uno STOV.
Le conseguenze descritte nella teoria della squadra non sono così diverse dalla fisica in gioco quando i bambini sono in un parco giochi. Quando fai girare una giostra, cambi il momento angolare spingendola, e l'efficacia di una spinta dipende da dove applichi la forza:non ottieni nulla spingendo verso l'interno sull'asse e il cambiamento più grande spingendo lateralmente sull'asse. il bordo esterno.
Anche la massa della giostra e tutto ciò che si trova su di essa influiscono sul momento angolare. Ad esempio, i bambini che saltano da una giostra in movimento portano via parte del momento angolare, rendendo più facile fermare la giostra.
La teoria del team sull'OAM trasversale della luce sembra molto simile alla fisica che governa la rotazione di una giostra. Tuttavia, la loro giostra è un disco fatto di energia luminosa disposto in una dimensione dello spazio e in un'altra del tempo invece che in due dimensioni spaziali, e il suo asse si muove alla velocità della luce.
La loro teoria prevede che spingendo parti diverse di un impulso luminoso su una giostra si possa modificare la sua OAM trasversale in quantità diverse e che se un po’ di luce viene dispersa da un granello di polvere e lascia l’impulso, allora l’impulso perde parte della luce trasversale. OAM con esso.
Il team si è concentrato sul testare cosa è successo quando hanno dato una spinta ai vortici trasversali dell’OAM. Ma cambiare l'OAM trasversale di un impulso luminoso non è così facile come dare una forte spinta a una giostra; non c'è alcuna materia a cui aggrapparsi e applicare una forza. Per modificare l'OAM trasversale di un impulso luminoso, è necessario spostarne la fase.
Mentre la luce viaggia attraverso lo spazio, la sua fase cambia naturalmente e la velocità con cui cambia la fase dipende dall'indice di rifrazione del materiale attraverso il quale viaggia la luce. Quindi Milchberg e il team hanno previsto che se fossero riusciti a creare un rapido cambiamento nell'indice di rifrazione in punti selezionati dell'impulso mentre passava, avrebbe fatto oscillare quella parte dell'impulso.
Tuttavia, se l’intero impulso passasse attraverso l’area con un nuovo indice di rifrazione, hanno previsto che non ci sarebbe stato alcun cambiamento nell’OAM, come avere qualcuno sul lato opposto di una giostra che cerca di rallentarlo mentre si è in movimento. cercando di accelerarlo.
Per testare la loro teoria, il team aveva bisogno di sviluppare la capacità di far vibrare una piccola sezione di un impulso che si muove alla velocità della luce. Fortunatamente, il laboratorio di Milchberg aveva già inventato gli strumenti appropriati. In numerosi esperimenti precedenti, il gruppo ha manipolato la luce utilizzando laser per la generazione rapida di plasma, una fase della materia in cui gli elettroni sono stati strappati dai loro atomi. Il processo è utile perché il plasma porta con sé un nuovo indice di rifrazione.
Nel nuovo esperimento, il team ha utilizzato un laser per creare strette colonne di plasma, che hanno chiamato fili transitori, che sono abbastanza piccole e si formano abbastanza rapidamente da colpire regioni specifiche dell'impulso durante il volo. L'indice di rifrazione di un filo transitorio svolge il ruolo di un bambino che spinge la giostra.
I ricercatori hanno generato il filo transitorio e hanno allineato meticolosamente tutti i raggi in modo che il filo intercettasse con precisione la sezione desiderata dell’impulso che trasporta OAM. Dopo che una parte dell'impulso è passata attraverso il filo e ha ricevuto un movimento, l'impulso ha raggiunto uno speciale analizzatore di impulsi ottici inventato dal team. Come previsto, quando i ricercatori hanno analizzato i dati raccolti, hanno scoperto che il movimento dell'indice di rifrazione ha modificato l'OAM trasversale dell'impulso.
Hanno quindi apportato lievi modifiche all’orientamento e alla tempistica del filo transitorio per indirizzare diverse parti dell’impulso luminoso. Il team ha eseguito misurazioni multiple con il filo transitorio che attraversava la parte superiore e inferiore di due tipi di impulsi:STOV che già trasportavano OAM trasversale e un secondo tipo chiamato impulso gaussiano senza alcun OAM.
Per i due casi corrispondenti alla spinta di una giostra già in rotazione o ferma, hanno scoperto che la spinta più grande è stata ottenuta applicando il movimento transitorio del filo vicino ai bordi superiore e inferiore dell'impulso luminoso.
Per ciascuna posizione, hanno anche regolato la temporizzazione del filo laser transitorio su vari percorsi in modo che diverse quantità di impulso viaggiassero attraverso il plasma e il vortice ricevesse una diversa quantità di spinta. I ricercatori che in precedenza generavano vortici di luce che descrivono come "ciambelle volanti edge-first" hanno ora eseguito esperimenti in cui disturbano il percorso dei vortici durante il volo per studiare i cambiamenti nel loro slancio. Credito immagine:Intense Laser-Matter Interactions Lab, UMD
I ricercatori che in precedenza generavano vortici di luce che descrivono come "ciambelle volanti edge-first" hanno ora eseguito esperimenti in cui disturbano il percorso dei vortici durante il volo per studiare i cambiamenti nel loro slancio. Credito immagine:Intense Laser-Matter Interactions Lab, UMD
Il team ha anche dimostrato che, come in una giostra, spingere con la rotazione aggiunge OAM e spingere contro di esso rimuove OAM. Poiché i bordi opposti della giostra ottica viaggiano in direzioni opposte, il filo al plasma potrebbe svolgere entrambi i ruoli cambiando la sua posizione anche se viene sempre spinto nella stessa direzione. Il gruppo afferma che i calcoli eseguiti utilizzando la loro teoria sono in ottimo accordo con i risultati del loro esperimento.
"Si scopre che il plasma ultraveloce fornisce un test di precisione della nostra teoria OAM trasversale", afferma Milchberg. "Registra una perturbazione misurabile del polso, ma non così forte da sconvolgere completamente il polso."
Il team prevede di continuare a esplorare la fisica associata all’OAM trasversale. Le tecniche che hanno sviluppato potrebbero fornire nuove informazioni su come l'OAM cambia nel tempo durante l'interazione di un intenso raggio laser con la materia (che è dove il laboratorio di Milchberg ha scoperto per la prima volta l'OAM trasversale).
Il gruppo prevede di studiare le applicazioni dell'OAM trasversale, come la codifica delle informazioni negli impulsi vorticosi della luce. I risultati di questo esperimento dimostrano che le fluttuazioni naturali nell'indice di rifrazione dell'aria sono troppo lente per modificare l'OAM trasversale di un impulso e distorcere qualsiasi informazione che trasporta.
"La ricerca è in una fase iniziale", afferma Hancock. "È difficile dire dove andrà a finire. Tuttavia, sembra avere molte promesse per la fisica e le applicazioni di base. Definirlo entusiasmante è un eufemismo."
Ulteriori informazioni: S. W. Hancock et al, Torquing spaziotemporale della luce, Revisione fisica X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.011031
Informazioni sul giornale: Revisione fisica X , Lettere di revisione fisica
Fornito dall'Università del Maryland
