نوار موبيوس را مي‌توانيد به سادگي در خانه بسازيد- فقط كافيست يك نوار كاغذي را برداريد، آن را نيم دور بپيچانيد و بعد دو سرش را به هم وصل كنيد. با وجود سادگي ظاهري، اين حلقه داراي خاصيت عجيبي است و آن اينكه فقط يك سطح و يك لبه دارد. همچنين بسيار به ندرت در طبيعت ظاهر مي‌شود و تا پيش از اين در نور ديده نشده بود. اكنون، يك گروه بين‌المللي از فيزيكدان‌ها چنين شكلي را با استفاده از قطبش نور ليزر ايجاد كرده‌اند و محققان مي‌گويند كه مي‌توان از اين طرح الكترومغناطيسي در ساخت انواع جديدي از ساختارهاي كوچك مقياس مانند شبه ماده‌ها استفاده كرد.

امكان ساخت نوار موبيوس نوري در 2005 توسط ايزاك فروند Isaac Freund پيشنهاد شد. فروند محاسبه كرد كه يك جفت پرتوي ليزري را مي‌توان طوري دستكاري كرد كه محوري كه جمع ميدان‌هاي الكتريكي آن‌ها در راستايش نوسان مي‌كند- يعني بردار قطبش- يك نوار موبيوس را جاروب كند. او پيشنهاد كرد از پرتوهايي با اسپين‌ و تكانه زاويه‌اي‌ متفاوت استفاده كرده و در زواياي بخصوصي با هم تداخل داده شوند. اسپين- يا قطبش دايروي- در يك موج الكترومغناطيسي عبارت است از قطبش آن كه در دايره‌اي عمود بر جهت انتشار به صورت ساعتگرد يا پادساعتگرد مي‌چرخد. اندازه حركت زاويه‌اي مداري هم از پيچش جبهه موج پرتو حول محور انتشارش ناشي مي‌شود.

چالش طولي

به طور معمول، موج نور در صفحه‌اي ارتعاش مي‌كند كه بر جهت حركتش عمود است. اما لازمه‌ي خلق طرح‌هاي نوري سه بعدي مانند نوار موبيوس اين است كه مطمئن شويم نور يك مولفه‌ي طولي در راستاي انتشار هم دارد. به نظر مي‌رسد ايده‌ي فروند براي ايجاد اين مولفه طولي به لحاظ تجربي بسيار چالش برانگيز است. بنابراين در جديدترين تحقيق، پيتر بانزر Peter Banzer از بخش علوم نوري موسسه ماكس پلانك در ارلانگن و همكارانش در آلمان، كانادا، ايتاليا و آمريكا روش‌ متفاوتي را در پيش گرفته‌اند.

بانزر و همكارانش از ابزار كريستال مايع معروف به صفحه‌ي q استفاده كرده‌اند. وقتي يك صفحه‌ي q در معرض پرتويي با اسپين مشخص قرار مي‌گيرد، پرتو را به گونه‌اي تغيير مي‌دهد كه اسپين مخالف و 2q واحد اندازه حركت زاويه‌اي مداري پيدا مي‌كند. q مي‌تواند هر مقدار نيم صحيحي باشد و مشخصه‌ي صفحه‌ي خاصي است كه مورد استفاده قرار گرفته است. اين گروه از پرتوي ليزر سبز رنگي استفاده كردند كه برهم‌نهي دو موج با اسپين‌هاي مخالف بود. حاصل كار پرتويي بود كه قطبش آن در امتداد پهنايش تغيير مي‌كرد. در مركز آن قطبش دايروي داشت اما با دور شدن از مركز، داراي قطبش خطي- با بردار قطبش متغير- مي‌شد.

تمركز زياد

براي تعميم طرح دو بعدي به سه بعد، پژوهشگران نور را از درون يك عدسي ميكروسكوپ با قدرت متمركز كنندگي زياد عبور دادند. به اين ترتيب پرتو داراي مولفه‌اي طولي شد كه اندازه‌ي آن به ميزان تمركز بستگي داشت. نتيجه، نوار موبيوسي از قطبش با پهنايي در حدود nm250-200 بود. با تغيير صفحه‌ي q، محققين توانستند نوارهاي موبيوسي با سه نيم پيچش (q=-1/2) و پنج نيم پيچش (q=-3/2) ايجاد كنند. ابراهيم كريمي، عضو گروه از دانشگاه اوتاوا مي‌گويد:« اينكه آيا چنين توپولوژي‌اي مي‌تواند به طور فيزيكي وجود داشته باشد يا فقط يك توصيف رياضي است به صورت معما درآمده بود. اما اكنون آن را در آزمايشگاه ديده‌ايم و مي‌دانيم كه نظريه‌ي فروند درست است».

خود فروند اين جديدترين تحقيق را يك «شاهكاري درخشان در مرزهاي فناوري نوري» مي‌داند و عنوان مي‌كند كه «چيزي بيش از اثبات يك پيش بيني خاص است زيرا نشان مي‌دهد كه اندازه‌گيري ساختار قطبشِ تمام سه بعديِ نور امكان‌پذير است». او مي‌افزايد: اين يك موفقيت است و بدون شك در ساير سيستم‌هاي نوري سه بعدي توسط محققان دنبال خواهد شد.

غناي توپولوژيكي

ساير متخصصين اين رشته هم تحقيق مذكور را تحسين كرده‌اند. مايكل بري Michael Berry از دانشگاه پريستول مي‌گويد كه اين كار نيازمند «تسلطي هنرمندانه» بر چندين تكنيك اپتيكي بود و «بر پيش‌بيني فروند از غناي هندسي و اپتيكي نهفته در قوانين الكترومغناطيس و قابل بيان بر حسب نور تاكيد دارد». در عين حال، به گفته‌ي ميلس پاجت Miles Padgett از دانشگاه گلاسگو، نتايج ممكن است كاربردهاي مهمي در خلق اجسام سه بعدي كوچك با توپولوژي نامتعارف- از جمله نوارهاي موبيوس خيلي كوچك- داشته باشد كه با استفاده از ليتوگرافي معمولي كار بسيار مشكلي است زيرا در آنجا كنترلي بر مولفه طولي پرتوي نور وجود ندارد. كريمي در مصاحبه با physicsworld.com گفت با توجه به حساسيت بالاي پليمرها به قطبش نور، ممكن است تكنيك جديد تا حدودي براي در اختيار گرفتن آن‌ها به كار بيايد. او همچنين معتقد است طرح احتمالاً در ساخت شبه ماده‌ها يعني مواد مصنوعي با خواص اپتيكي غير عادي كه مي‌توان از آن‌ها در ساخت ابزارهاي نوري استفاده كرد، مفيد واقع شود.

اين تحقيق در Science گزارش شده است.

منبع