光は竜巻のように回転できるのか？ワルシャワ大学、軍事工科大学、Institut Pascal CNRSの科学者たちは、非常に小さな構造内で渦巻く「光の竜巻」を作り出し、「はい」と力強く答えた。この進歩は、複雑な形状を持つ小型光源を構築する新しい方法を示しており、光通信や量子技術のためのよりシンプルでスケーラブルなフォトニックデバイスを支える可能性がある。

「私たちの解決策は、量子力学から材料工学、光学、固体物理学まで、物理学のいくつかの分野を組み合わせています」と、研究グループリーダーのワルシャワ大学Jacek Szczytko教授は説明する。「着想は原子物理学で知られるシステムから来ました。そこでは電子が異なるエネルギー状態を占めることができます。フォトニクスでは、同様の役割を光トラップが果たし、電子の代わりに光を閉じ込めます。」ワルシャワ大学とニューヨーク市立大学の研究の第一著者であるMarcin Muszyński博士は、次のように付け加える。「これは光渦と考えることができます。光波はその軸の周りをねじれ、位相が螺旋状に変化します。さらに、偏光さえも回転し始めます。」

これらの構造化された光状態は、量子通信や微小物体の制御などの応用に魅力的だが、それらを生成するには通常、複雑なナノ構造や大規模な実験システムが必要だった。チームは別の戦略を選び、液晶を使用した。液晶は液体のように流れるが、分子が結晶のように秩序立って配列する材料である。この材料内では、トロンとして知られる特殊な欠陥が形成される。「それらは、DNAのようにしっかりとねじれた螺旋として想像できます」と、軍事工科大学のEva Oton博士とともに液晶サンプルを準備したワルシャワ大学のナノテクノロジー学生Joanna Mędrzyckaは説明する。「そのような螺旋の端を結合してドーナツのようなリングに閉じると、トロンが得られます。」

効果を強化するために、トロンは光マイクロキャビティ内に配置された。これは光を繰り返し反射して閉じ込める鏡の構造である。「これにより、場がはるかに強くなります」とMuszyński博士は言う。「さらに、外部電圧を使用してトラップのサイズ、ひいては光の特性を制御できます。」チームはまた、新しい何かを達成した：基底状態、つまり最低エネルギー状態での安定した光渦である。「初めて、基底状態でこの効果を得ることができました」と、理論モデルを開発したUniversité Clermont AuvergneとCNRSのGuillaume Malpuech教授は説明する。「これは重要です。なぜなら基底状態が最も安定しており、エネルギーが蓄積しやすいからです。」発振を確認するために、研究者らはレーザー色素を導入し、回転し、コヒーレントで、明確に定義されたエネルギーと放射方向を持つ光を得た。

Dmitry Solnyshkov教授は、「興味深いことに、私たちのアプローチは、いわゆるベクトル電荷を含む非常に高度な理論から着想を得ています。つまり、ある意味で、光子を電子のようにではなく、クォークのように振る舞わせることに成功したのです。」と述べる。軍事工科大学のWiktor Piecek教授は次のように結論付ける。「この発見は、複雑な構造を持つ小型光源を作成するための新しい道を開きます。複雑なナノテクノロジーに依存する代わりに、自己組織化材料を使用できます。将来的には、これにより光通信や量子技術などのための、よりシンプルでスケーラブルなフォトニックデバイスが可能になるかもしれません。」