یک موجبر حلقه‌ای شکل با الگوی خاصی از شکاف‌ها می‌تواند موج نور را مجبور کند تا قبل از تکمیل تعداد صحیحی از چرخه‌های موج، دو دور بزند.

مسیر پیچ خورده: نور مقید به یک موجبر حلقه‌ای شکل خاص، قبل از اینکه مراحل خود را دوباره دنبال کند، دو دور می زند.

نور می تواند در یک مسیر بسته در داخل حلقه ای از شیشه یا مواد مشابه حرکت کند و به طور مکرر از سطح داخلی منعکس شود. اگرچه چنین امواج حلقه بسته به طور کلی دارای مقادیر صحیح تکانه زاویه ای هستند، محققان با استفاده از یک حلقه چرخ دنده ای شکل کوچک اکنون توانایی تولید امواج مشابه با مقادیر کسری غیرمعمول تکانه زاویه ای را نشان داده اند[1]. امواج مانند نوار موبیوس، باید دو رفت و برگشت انجام دهند تا به پیکربندی اولیه خود بازگردند. توانایی تنظیم تکانه زاویه­ ای به این روش می تواند به محققان کنترل دقیق تری بر نور در دستگاه های پیشرفته مانند ساطع کننده های تک فوتون بدهد.

فیزیکدانان از امواج حلقه بسته به عنوان مدهای نگارخانه نجوایی modes) whispering gallery) یاد می‌کنند که به خاطر اثر صوتی در اتاق‌های گرد، جایی که صداها چندین بار از دیوارها منعکس می‌شوند، نامگذاری شده‌اند. به طور معمول، موجی از این نوع قبل از اینکه مسیر قبلی خود را بازیابی کند، حول یک حلقه بسته حرکت می کند. در یک حلقه، فاز میدان الکتریکی مرتبط با جبهه موج باید عدد صحیح M سیکل را بگذراند. از نظر فنی، این شرط همچنین ایجاب می کند که اندازه حرکت زاویه‌ایِ فوتون‌های مرتبط با موج، عدد صحیح M واحد باشد.

اما آنطور که محققان به سرپرستی ژیوآن لو Xiyuan Lu از موسسه ملی استاندارد و فناوری در مریلند اکنون نشان داده‌اند، می‌توان امواج عجیب‌تری با تکانه زاویه‌ای کسری تولید کرد[1]. این را می توان با تغییر اندکی در ساختار حلقه ای که نور را حمل می کند انجام داد. میتوان موج را مجبور کرد تا قبل از بازگشت به همان پیکربندی میدانی که با آن شروع کرده، بیش از یک دور بزند. لو می گوید «برای اولین بار، ما با در حال تولید نور به روش نوار موبیوس هستیم».

در کار قبلی، لو و همکارانش یک میکروحلقه بلور فوتونی را با حک کردن توالی دقیقی از بریدگی‌های میکروسکوپی در لبه داخلی یک حلقه کوچک از نیترید سیلیکون، که ماده نیمه‌رسانایی است، ساختند. تغییرات تناوبی سطح داخلی، خواص نوری ماده را تغییر می دهد و در نتیجه سرعت نور در حین حرکت حول حلقه، ده برابر کاهش می یابد. همچنین محققان در محاسبات، شبیه‌سازی‌ها و آزمایش‌های کنونی شان نشان داده‌اند که این تغییرات تناوبی به ماده اجازه می‌دهد امواج نوری با خواص غیرعادی را حمل کند.

محققان 333 بریدگی را در لبه داخلی یک حلقه نیمه رسانا با شعاع 25 میکرومتر حک کردند. این ساختار چرخ دنده ای نور با تکانه زاویه ای کسری ایجاد می کند و برای همپوشانی با خود به دو چرخش کامل در اطراف حلقه نیاز دارد.

به طور خاص، محاسبات گروه نشان می‌دهد که اگر حلقه دارای تعداد فرد بریدگی N باشد، مجموعه‌ای از امواج به اصطلاح ترکیبی را پشتیبانی می‌کند که برای تکمیل دوره میدان باید دو بار حول حلقه حرکت کنند. لو و همکارانش این اثر را با استفاده از چرخ دنده ای با شعاع 25 میکرومتر و دارای N = 333 نشان دادند که منجر به اندازه حرکت زاویه ای موثر N/2 یا 166.5 شد.

ردیابی موج. این نمودار جهت گیری میدان الکتریکی را برای مد پایه در یک حلقه با تعداد فرد بریدگی نشان می دهد. می توانید تصور کنید که از سمت چپ شروع کنید، جایی که میدان به سمت بالا (قرمز) است. پس از یک دور، میدان به سمت پایین (آبی) اشاره می کند. یک سیکل کامل تنها پس از دور دوم تکمیل می شود.

محققان با تصویربرداری از مقدار نور کمی که در هر دور به بیرون از حلقه پراکنده میشد، توانستند امواج ترکیبی را مشاهده کنند. آنها دریافتند که هر موج هیبریدی یک الگوی متناظر از نقاط روشن در اطراف حلقه ایجاد می کند - با تعداد نقاط همیشه فرد. به عنوان مثال، مد پایه (موج با کمترین تعداد نقطه) در یک طرف حلقه روشن و در طرف دیگر تاریک بود. اعداد فرد نقاط روشن با تعداد زوجی که سیستم‌های ذخیره شده انتشار معمولی را مشخص می‌کنند، در تضاد است.

لو اشاره می کند که کارهای قبلی حالت های تکانه زاویه ای کسری را در پرتوهای نوری به نام گردابه های نوری ایجاد کرده است، اما این اولین بار است که در مد نگارخانه نجوایی به دست می آید. او می‌گوید که این مهم است، زیرا این روند به محققان اجازه می‌دهد تا در حجم‌های کوچک نور با شدت‌های بسیار بالا تولید کنند و در نتیجه برهمکنش ممکن آن با ماده را تا حد زیادی افزایش دهند.

جان دونگان John Donegan، فیزیکدان نوری از کالج ترینیتی دوبلین می‌گوید: این یک کار عالی از آزمایشگاهی واقعاً برجسته است. همانطور که او اشاره می‌کند، بیشتر کارهای قبلی روی چنین حالت هایی از تکانه زاویه‌ای نوری دقیق، از سیستم‌های مقیاس بزرگ استفاده کرده‌اند. او می‌گوید: یک نکته جدید و مهم این کار، نشان دادن چنین مد‌هایی در ساختاری در مقیاس میکرونی است که برای ادغام با تراشه‌های فوتونی در مقیاس میکرونی مناسب است.

لو انتظار دارد که این پیشرفت برای به دست آوردن کنترل دقیق تر بر نور در موقعیت های دیگر مفید باشد. او می‌گوید: یک کاربرد جالب استفاده از چنین نوری برای برهمکنش با گازهای اتمی است، به‌ویژه زمانی که به دنبال بهبود هدایت زاویه‌ای نور ساطع شده باشیم.

مراجع:

1-M. Wang et al., “Fractional optical angular momentum and multi-defect-mediated mode renormalization and orientation control in photonic crystal microring resonators,” Phys. Rev. Lett. 129, 186101 (2022).

منبع:

A Möbius Strip for Light

ترجمه خبر: شهره کرمی