क्या प्रकाश बवंडर की तरह घूम सकता है? वारसॉ विश्वविद्यालय, सैन्य प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय और इंस्टीट्यूट पास्कल सीएनआरएस के वैज्ञानिकों ने जोरदार "हाँ" में उत्तर दिया है, एक अत्यंत छोटी संरचना के अंदर घूमते हुए "प्रकाशिक बवंडर" बनाकर। यह उन्नति जटिल आकृतियों वाले लघु प्रकाश स्रोतों के निर्माण के एक नए तरीके की ओर इशारा करती है, जो ऑप्टिकल संचार और क्वांटम प्रौद्योगिकियों के लिए सरल और अधिक स्केलेबल फोटोनिक उपकरणों का समर्थन कर सकती है।
"हमारा समाधान भौतिकी के कई क्षेत्रों को जोड़ता है, क्वांटम यांत्रिकी से लेकर सामग्री इंजीनियरिंग, प्रकाशिकी और ठोस अवस्था भौतिकी तक," वारसॉ विश्वविद्यालय के प्रो. जेसेक स्ज़िटको, शोध समूह के नेता, बताते हैं। "प्रेरणा परमाणु भौतिकी से ज्ञात प्रणालियों से आई, जहाँ इलेक्ट्रॉन विभिन्न ऊर्जा अवस्थाओं पर कब्जा कर सकते हैं। फोटोनिक्स में, एक समान भूमिका ऑप्टिकल ट्रैप द्वारा निभाई जाती है, जो इलेक्ट्रॉनों के बजाय प्रकाश को सीमित करते हैं।" अध्ययन के पहले लेखक, वारसॉ विश्वविद्यालय और सिटी कॉलेज ऑफ न्यूयॉर्क के डॉ. मार्सिन मुशिन्स्की कहते हैं: "आप इसे एक ऑप्टिकल भंवर के रूप में सोच सकते हैं। प्रकाश तरंग अपनी धुरी के चारों ओर मुड़ती है, और इसका चरण सर्पिल तरीके से बदलता है। इसके अलावा, ध्रुवीकरण - विद्युत क्षेत्र के दोलन की दिशा - भी घूमने लगता है।"
ये संरचित प्रकाश अवस्थाएँ क्वांटम संचार और सूक्ष्म वस्तुओं को नियंत्रित करने जैसे अनुप्रयोगों के लिए आकर्षक हैं, लेकिन इन्हें उत्पन्न करने के लिए आमतौर पर जटिल नैनोस्ट्रक्चर या बड़ी प्रयोगात्मक प्रणालियों की आवश्यकता होती है। टीम ने एक अलग रणनीति चुनी, एक तरल क्रिस्टल का उपयोग करते हुए - एक ऐसी सामग्री जो तरल की तरह बहती है लेकिन जिसके अणु एक क्रिस्टल की तरह व्यवस्थित होते हैं। इस सामग्री के भीतर, टोरॉन के रूप में जाने जाने वाले विशेष दोष बन सकते हैं। "उन्हें कसकर मुड़े हुए सर्पिल के रूप में कल्पना किया जा सकता है, जो डीएनए के समान हैं," वारसॉ विश्वविद्यालय की नैनोटेक्नोलॉजी छात्रा जोआना मेंड्रज़िका बताती हैं, जिन्होंने सैन्य प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय की डॉ. ईवा ओटन के साथ तरल क्रिस्टल के नमूने तैयार किए। "यदि ऐसे सर्पिल को उसके सिरों को एक डोनट जैसी अंगूठी में जोड़कर बंद किया जाता है, तो हमें एक टोरॉन मिलता है।"
प्रभाव को मजबूत करने के लिए, टोरॉन को एक ऑप्टिकल माइक्रोकैविटी के अंदर रखा गया - दर्पणों की एक संरचना जो प्रकाश को बार-बार परावर्तित करती है और इसे सीमित रखती है। "यह क्षेत्र को बहुत मजबूत बनाता है," डॉ. मुशिन्स्की कहते हैं। "इसके अलावा, हम बाहरी विद्युत वोल्टेज का उपयोग करके ट्रैप के आकार और इस प्रकार प्रकाश के गुणों को नियंत्रित कर सकते हैं।" टीम ने कुछ नया भी हासिल किया: जमीनी अवस्था में स्थिर प्रकाश भंवर, जो सबसे कम ऊर्जा वाली अवस्था है। "पहली बार, हम इस प्रभाव को जमीनी अवस्था में प्राप्त करने में सफल रहे," यूनिवर्सिटी क्लेरमोंट ऑवेर्न और सीएनआरएस के प्रो. गुइल्यूम माल्प्यूच बताते हैं, जिन्होंने प्रो. दिमित्री सोल्निशकोव और पोस्ट-डॉक डैनिल बोबीलेव के साथ सैद्धांतिक मॉडल विकसित किया। "यह महत्वपूर्ण है क्योंकि जमीनी अवस्था सबसे स्थिर होती है और ऊर्जा के लिए संचित होना सबसे आसान होता है।" लेज़िंग की पुष्टि करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक लेज़र डाई पेश की, जिससे प्रकाश प्राप्त हुआ जो घूमता है, सुसंगत है, और इसमें अच्छी तरह से परिभाषित ऊर्जा और उत्सर्जन दिशा है।
प्रो. दिमित्री सोल्निशकोव ने नोट किया, "यह दिलचस्प है कि हमारा दृष्टिकोण बहुत उन्नत सिद्धांतों से प्रेरणा लेता है जिसमें तथाकथित सदिश आवेश शामिल है। तो, एक तरह से, हम फोटॉनों को इलेक्ट्रॉनों की तरह नहीं, बल्कि क्वार्कों की तरह व्यवहार कराने में सफल हुए हैं।" सैन्य प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय के प्रो. विक्टर पीसीक ने निष्कर्ष निकाला: "यह खोज जटिल संरचनाओं वाले लघु प्रकाश स्रोतों के निर्माण के लिए एक नया मार्ग खोलती है। जटिल नैनोटेक्नोलॉजी पर निर्भर रहने के बजाय, हम स्व-संगठित सामग्रियों का उपयोग कर सकते हैं। भविष्य में, यह सरल और अधिक स्केलेबल फोटोनिक उपकरणों को सक्षम कर सकता है, उदाहरण के लिए ऑप्टिकल संचार या क्वांटम प्रौद्योगिकियों के लिए।"