Lasertornado synteettisessä magneettikentässä

Voiko valo käyttäytyä kuin pyörretuuli? On käynyt ilmi, että voi – ja tällaisia "optisia tornadoja" ovat nyt luoneet erittäin pienessä rakenteessa Varsovan yliopiston ja Clermont-Auvergnen yliopiston tutkijat.

”Ratkaisumme yhdistää useita fysiikan aloja kvanttimekaniikasta materiaalitekniikan kautta optiikkaan ja kiinteän olomuodon fysiikkaan”, selittää tutkimusryhmän johtaja, professori Jacek Szczytko.

”Sitä voi ajatella optisena pyörteenä”, sanoo tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja Marcin Muszyński. ”Valoaalto kiertyy akselinsa ympäri ja sen vaihe muuttuu spiraalimaisesti. Lisäksi jopa polarisaatio – sähkökentän värähtelyn suunta – alkaa pyöriä.”

Tällaiset valorakenteet ovat erittäin lupaavia, ja niillä on potentiaalisia sovelluksia esimerkiksi kvanttiviestinnässä ja mikroskooppisten objektien manipuloinnissa. Haasteena on kuitenkin se, että niiden luominen vaatii tyypillisesti monimutkaisia nanorakenteita tai suuria kokeellisia järjestelyjä.

Yksi keskeinen vaihe oli keinotekoisen magneettikentän vastineen luominen fotoneille. Normaalisti valo ei reagoi magneettikenttään kuten elektronit mutta samanlainen käyttäytyminen voidaan saavuttaa valolle muilla tavoilla.”

– Spatiaalisesti vaihteleva kahtaistaittavuus eli valon eri polarisaatioiden etenemisen ero toimii kuin synteettinen magneettikenttä”, selittää tohtori Piotr Kapuściński. Tämän seurauksena valo alkaa ’taipua’, aivan kuten syklotronikiertoradoilla liikkuvat elektronit.”

Tärkein tulos osoittautui kuitenkin vieläkin yllättävämmäksi.

”Tyypillisissä järjestelmissä valoa kuljettava rataimpulssimäärä esiintyy viritystiloissa”, selittää professori Guillaume Malpuech, joka yhdessä professori Dmitri Solnyshkovin ja post doc Daniil Bobylevin kanssa kehitti ilmiön teoreettisen mallin. ”Onnistuimme ensimmäistä kertaa saamaan tämän ilmiön perustilassa eli pienimmän energian tilassa. Tämä on merkittävää, koska perustila on vakain ja energian kerääntyminen on helpointa.”

”Tämä tekee laseroinnin saavuttamisesta paljon helpompaa”, korostaa professori Szczytko. ”Valo luonnostaan ’valitsee’ tämän tilan, koska siihen liittyvät pienimmät häviöt.”

Tämän varmistamiseksi tutkijat lisäsivät järjestelmään laserväriaineen. ”Saimme valoa, joka ei ainoastaan pyöri, vaan myös käyttäytyy kuten laservalo: se on koherenttia ja sillä on hyvin määritelty energia- ja emissiosuunta”, sanoo tohtori Marcin Muszyński.

"Tämä löytö avaa uuden polun monimutkaisten rakenteiden omaavien miniatyyrivalonlähteiden luomiseen. ”Se osoittaa, että monimutkaisen nanoteknologian sijaan voimme käyttää itseorganisoituvia materiaaleja”, toteaa professori Wiktor Piecek. ”Tulevaisuudessa tämä voi mahdollistaa yksinkertaisempien ja skaalautuvampien fotonisten laitteiden kehittämisen esimerkiksi optisessa viestinnässä tai kvanttiteknologioissa.”

Aiheesta aiemmin:

Peilitön laser: Uusi valonlähde

Uusi energiatehokas ultrakompakti laseri