Des faisceaux de lumière qui peuvent être guidés dans des formes de type tire-bouchon appelées tourbillons optiques sont utilisées aujourd'hui dans une gamme d'applications. En repoussant les limites de la lumière structurée, les physiciens appliqués par Harvard dans la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (Seas) rapportent un nouveau type de faisceau de vortex optique qui non seulement se tord lorsqu'il voyage mais aussi des changements dans différentes parties à différents taux pour créer des modèles uniques. La façon dont la lumière se comporte ressemble à des formes en spirale de nature commune.
Les chercheurs ont emprunté à la mécanique classique pour surnommer leur vortex léger jamais démontré un « rotatum optique », pour décrire comment le couple sur la forme du tire-bouchon de la lumière change progressivement. Dans la physique newtonienne, « Rotatum » est le taux de changement de couple sur un objet dans le temps.
Le Rotatum optique a été créé dans le laboratoire de Federico Capasso, le professeur de physique appliquée de Robert L. Wallace et le chercheur principal de Vinton Hayes en génie électrique chez Seas. « Il s'agit d'un nouveau comportement de lumière composé d'un vortex optique qui se propage dans l'espace et des changements de manière inhabituelle », a déclaré Capasso. « Il est potentiellement utile pour manipuler les petites matières. » La recherche est publiée dans Avancées scientifiques.
Dans une tournure particulière, les chercheurs ont découvert que leur faisceau de lumière de momentum angulaire orbital se développe dans un schéma mathématiquement reconnaissable trouvé dans le monde naturel. Mintignant la séquence de numéros de Fibonacci (rendue célèbre dans le code Da Vinci), leur rotatum optique se propage dans une spirale logarithmique qui est vue dans la coquille d'un Nautilus, les graines d'un tournesol et les branches des arbres.
« Ce fut l'un des faits saillants inattendus de cette recherche », a déclaré le premier auteur Ahmed Dorrah, ancien associé de recherche dans le laboratoire de Capasso, maintenant professeur adjoint à l'Université de technologie d'Eindhoven. « J'espère que nous pourrons inspirer d'autres spécialistes des mathématiques appliquées à étudier ces modèles lumineux et à acquérir des informations uniques sur leur signature universelle. »
La recherche s'appuie sur des travaux antérieurs dans lesquels l'équipe a utilisé une métasurface, une lentille mince gravée avec des nanostructures de flexion légère, pour créer un faisceau lumineux avec une polarisation contrôlée et un moment angulaire orbital le long de son chemin de propagation, convertissant toute entrée de lumière en autres structures qui changent lorsqu'ils se déplacent. Maintenant, ils ont introduit un autre degré de liberté à leur lumière, dans lequel ils peuvent également changer son couple spatial lorsqu'il se propage.
« Nous montrons encore plus de polyvalence du contrôle, et nous pouvons le faire en continu », a déclaré Alfonso Palmeri, étudiant diplômé du laboratoire de Capasso et co-auteur de cette recherche.
Les cas d'utilisation potentiels pour un tel faisceau de lumière exotique comprennent le contrôle de très petites particules, telles que les colloïdes en suspension, en introduisant un nouveau type de force conformément au couple inhabituel de la lumière. Il pourrait également permettre une pince à pince optique précise pour la micro-manipulation de petites choses.
Alors que d'autres ont démontré une lumière changeante en utilisant des lasers à haute intensité et des configurations volumineuses, l'équipe de Harvard a fait le leur avec un seul affichage en cristal liquide et un faisceau de faible intensité. En montrant qu'ils peuvent créer un Rotatum dans un appareil intégré compatible compatible par l'industrie, la barrière à l'entrée pour leur technologie pour devenir réalité est beaucoup plus faible que les démonstrations précédentes.
