Kan licht draaien als een wervelwind? Wetenschappers van de Universiteit van Warschau, de Militaire Technische Universiteit en het Institut Pascal CNRS hebben volmondig 'ja' geantwoord en wervelende 'optische tornado's' gecreëerd in een extreem kleine structuur. De doorbraak wijst op een nieuwe manier om miniatuur lichtbronnen met complexe vormen te bouwen, wat eenvoudigere en schaalbaardere fotonische apparaten voor optische communicatie en quantumtechnologieën mogelijk zou kunnen maken.
'Onze oplossing combineert verschillende gebieden van de natuurkunde, van kwantummechanica, via materiaalkunde, tot optica en vastestoffysica,' legt prof. Jacek Szczytko van de Universiteit van Warschau, de onderzoeksgroepsleider, uit. 'De inspiratie kwam van systemen uit de atoomfysica, waar elektronen verschillende energietoestanden kunnen bezetten. In de fotonica wordt een vergelijkbare rol gespeeld door optische vallen, die licht opsluiten in plaats van elektronen.' Dr. Marcin Muszyński, eerste auteur van de studie van de Universiteit van Warschau en City College van New York, voegt toe: 'Je kunt het zien als een optische vortex. De lichtgolf draait om zijn as en zijn fase verandert op een spiraalvormige manier. Bovendien begint zelfs de polarisatie - de richting van de oscillatie van het elektrische veld - te roteren.'
Deze gestructureerde lichttoestanden zijn aantrekkelijk voor toepassingen zoals quantumcommunicatie en het controleren van microscopische objecten, maar het produceren ervan vereiste meestal ingewikkelde nanostructuren of grote experimentele systemen. Het team koos een andere strategie, met behulp van een vloeibaar kristal - een materiaal dat vloeit als een vloeistof maar waarvan de moleculen zich ordenen als een kristal. In dit materiaal kunnen speciale defecten, bekend als toronen, ontstaan. 'Ze kunnen worden voorgesteld als strak gedraaide spiralen, vergelijkbaar met DNA,' legt Joanna Mędrzycka uit, een nanotechnologiestudent aan de Universiteit van Warschau die samen met dr. Eva Oton van de Militaire Technische Universiteit de vloeibaar-kristalmonsters prepareerde. 'Als zo'n spiraal wordt gesloten door de uiteinden samen te voegen tot een ring die lijkt op een donut, krijgen we een toron.'
Om het effect te versterken, werd de toron geplaatst in een optische microholte - een structuur van spiegels die licht herhaaldelijk reflecteert en opgesloten houdt. 'Dit maakt het veld veel sterker,' zegt dr. Muszyński. 'Bovendien kunnen we de grootte van de val, en dus de eigenschappen van het licht, regelen met een externe elektrische spanning.' Het team bereikte ook iets nieuws: stabiele lichtvortices in de grondtoestand, de laagste energietoestand. 'Voor het eerst is het ons gelukt dit effect in de grondtoestand te verkrijgen,' legt prof. Guillaume Malpuech van Université Clermont Auvergne en CNRS uit, die het theoretische model ontwikkelde met prof. Dmitry Solnyshkov en postdoc Daniil Bobylev. 'Dit is belangrijk omdat de grondtoestand het meest stabiel is en de gemakkelijkste voor energie om in te accumuleren.' Om laseren te bevestigen, introduceerden de onderzoekers een laserkleurstof, waardoor ze licht kregen dat roteert, coherent is en een goed gedefinieerde energie en emissierichting heeft.
Prof. Dmitry Solnyshkov merkt op: 'Het is interessant dat onze aanpak inspiratie haalt uit zeer geavanceerde theorieën over een zogenaamde vectoriële lading. Dus in zekere zin zijn we erin geslaagd om fotonen zich niet eens als elektronen, maar als quarks te laten gedragen.' Prof. Wiktor Piecek van de Militaire Technische Universiteit concludeert: 'Deze ontdekking opent een nieuwe weg voor het creëren van miniatuur lichtbronnen met complexe structuren. In plaats van te vertrouwen op complexe nanotechnologie, kunnen we zelforganiserende materialen gebruiken. In de toekomst kan dit eenvoudigere en schaalbaardere fotonische apparaten mogelijk maken, bijvoorbeeld voor optische communicatie of quantumtechnologieën.'