Gracias a la topología, una rama de las matemáticas que explora las propiedades de los objetos geométricos que permanecen iguales mientras sufren deformaciones continuas, un equipo de científicos dirigido por Isaac Nape de la Universidad de Witwatersrand en Sudáfrica y Kayne Forbes de la Universidad de East Anglia (UEA) en el Reino Unido descubrió una manera de programar y controlar la quiralidad de la luz (también conocida como diestra- o zurda-) y su giro.
En óptica, la quiralidad suele asociarse con la luz polarizada circularmente (en la que el campo eléctrico gira en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a medida que viaja la luz).
"Nuestro trabajo fue motivado por la cuestión de si la luz puede generar y controlar su propia lateralidad local a través de la propagación-sin necesidad de una interfaz material, una metasuperficie o un enfoque muy ajustado", dice Forbes, profesor de la Facultad de Química, Farmacia y Farmacología de la UEA, donde dirige el grupo de Teoría de la Luz-Materia y Nanofotónica.
Ajuste de carga topológica
La topología entra a través de la forma en que la fase y la polarización de un haz de luz giran alrededor del espacio. "La luz estructurada nos permite reunir estas ideas para poder diseñar haces cuya fase y polarización varíen de manera precisa a lo largo del haz", explica Forbes. "Estábamos interesados en la posibilidad de que la topología del haz actúe como un simple botón de control. Al cambiar la carga topológica de Pancharatnam (un parámetro), podemos hacer que el giro local y la quiralidad de la luz se reorganicen durante la propagación".
Es importante tener en cuenta que no se necesitan materiales especiales para el efecto en sí. El giro y la quiralidad emergen durante la-propagación en el espacio libre de un haz de luz estructurado-un haz de vórtice vectorial, en este caso.
¿Qué es un haz de vórtice vectorial? "Vector significa que la polarización varía a lo largo del haz, en lugar de ser uniforme", dice Forbes. "Vórtice significa que el haz lleva momento angular orbital, que está asociado con un frente de fase torcido. Y la topología entra a través de la forma en que el haz gira alrededor de su propio eje. En nuestro trabajo, este giro está controlado por la carga topológica de Pancharatnam, que establece cómo varían la fase y la polarización del haz a medida que nos movemos alrededor del haz".
En el plano inicial, el haz está-equilibrado en rotación. Sus componentes circulares izquierda- y derecha-están presentes por igual, por lo que no hay polarización circular local. "Pero estos dos componentes tienen estructuras orbitales diferentes", señala Forbes. "A medida que el haz se propaga, adquieren diferentes fases de Gouy y diferentes perfiles radiales. Esto hace que los componentes circulares derecho- e izquierdo-se separen radialmente, lo que produce giro local y quiralidad óptica".
Es importante tener en cuenta que no se necesitan materiales especiales para el efecto en sí. El giro y la quiralidad emergen durante la-propagación en el espacio libre de un haz de luz estructurado-un haz de vórtice vectorial, en este caso.
¿Qué es un haz de vórtice vectorial? "Vector significa que la polarización varía a lo largo del haz, en lugar de ser uniforme", dice Forbes. "Vórtice significa que el haz lleva momento angular orbital, que está asociado con un frente de fase torcido. Y la topología entra a través de la forma en que el haz gira alrededor de su propio eje. En nuestro trabajo, este giro está controlado por la carga topológica de Pancharatnam, que establece cómo varían la fase y la polarización del haz a medida que nos movemos alrededor del haz".
En el plano inicial, el haz está-equilibrado en rotación. Sus componentes circulares izquierda- y derecha-están presentes por igual, por lo que no hay polarización circular local. "Pero estos dos componentes tienen estructuras orbitales diferentes", señala Forbes. "A medida que el haz se propaga, adquieren diferentes fases de Gouy y diferentes perfiles radiales. Esto hace que los componentes circulares derecho- e izquierdo-se separen radialmente, lo que produce giro local y quiralidad óptica".
Fotónica de luz estructurada, manipulación óptica, detección quiral.
Tres de las aplicaciones más obvias que se avecinan son probablemente la fotónica de luz estructurada, la manipulación óptica y la detección quiral. Otro uso potencial es el procesamiento de información fotónica de alta-dimensionalidad, porque el haz vincula el espín y el momento angular orbital de una manera controlable.
"En principio, nuestro descubrimiento es relevante tanto para la luz estructurada clásica como para la cuántica, donde la información puede codificarse dentro de la polarización (luz giratoria) y modos espaciales (luz retorcida)", dice Nape. "El giro y la torsión de los fotones se pueden utilizar como un alfabeto dentro de rayos láser brillantes y en el nivel de un solo fotón. Cada estado distinto representa un símbolo de información diferente".
El trabajo actual del equipo es física óptica clásica, pero los mismos grados de libertad, espín, momento angular orbital y estructura de modo espacial también se utilizan para la fotónica cuántica. "Nuestro interés a largo plazo-es si este tipo de estructura de órbita de giro controlado-con topología-puede ser útil para preparar, transformar o codificar estados fotónicos de alta-dimensionalidad", afirma Nape.
A continuación, los investigadores planean explorar qué tan general y útil es este mecanismo. "Hemos demostrado que la carga topológica de Pancharatnam puede controlar el giro y la quiralidad para la propagación en el espacio libre-y ahora la pregunta es hasta qué punto se puede llevar este control", dice Nape. "También estamos interesados en cómo se puede utilizar para la codificación de información, manipulación óptica e interacciones de materia de luz-quiral. Nuestro objetivo más amplio es pasar de demostrar un efecto de luz estructurado interesante a desarrollarlo como un principio de diseño práctico".
