Poate lumina să se învârtă ca un vârtej? Oamenii de știință de la Universitatea din Varșovia, Universitatea Militară de Tehnologie și Institutul Pascal CNRS au răspuns cu un „da” răsunător, creând „tornade optice” rotitoare într-o structură extrem de mică. Avansul indică o nouă modalitate de a construi surse de lumină miniaturale cu forme complexe, care ar putea susține dispozitive fotonice mai simple și mai scalabile pentru comunicarea optică și tehnologiile cuantice.

„Soluția noastră combină mai multe domenii ale fizicii, de la mecanica cuantică, prin ingineria materialelor, până la optică și fizica stării solide”, explică prof. Jacek Szczytko de la Universitatea din Varșovia, liderul grupului de cercetare. „Inspirația a venit de la sisteme cunoscute din fizica atomică, unde electronii pot ocupa diferite stări energetice. În fotonică, un rol similar este jucat de capcanele optice, care confinează lumina în loc de electroni.” Dr. Marcin Muszyński, primul autor al studiului de la Universitatea din Varșovia și City College of New York, adaugă: „Vă puteți gândi la asta ca la un vârtej optic. Unda luminoasă se răsucește în jurul axei sale, iar faza sa se schimbă în spirală. Mai mult, chiar și polarizarea – direcția de oscilație a câmpului electric – începe să se rotească.”

Aceste stări structurate ale luminii sunt atractive pentru aplicații precum comunicarea cuantică și controlul obiectelor microscopice, dar producerea lor a necesitat de obicei nanostructuri complicate sau sisteme experimentale mari. Echipa a ales o strategie diferită, folosind un cristal lichid – un material care curge ca un lichid, dar ale cărui molecule se aranjează ordonat, ca un cristal. În acest material, se pot forma defecte speciale numite toroni. „Pot fi imaginați ca spirale strâns răsucite, similare cu ADN-ul”, explică Joanna Mędrzycka, studentă la nanotehnologie la Universitatea din Varșovia, care, împreună cu dr. Eva Oton de la Universitatea Militară de Tehnologie, a pregătit probele de cristal lichid. „Dacă o astfel de spirală este închisă prin unirea capetelor sale într-un inel care seamănă cu o gogoașă, obținem un toron.”

Pentru a întări efectul, toronul a fost plasat într-o microcavitate optică – o structură de oglinzi care reflectă lumina în mod repetat și o menține confinată. „Acest lucru face câmpul mult mai puternic”, spune dr. Muszyński. „În plus, putem controla dimensiunea capcanei și, astfel, proprietățile luminii, folosind o tensiune electrică externă.” Echipa a realizat și ceva nou: vârtejuri de lumină stabile în starea fundamentală, cea mai joasă stare energetică. „Pentru prima dată, am reușit să obținem acest efect în starea fundamentală”, explică prof. Guillaume Malpuech de la Université Clermont Auvergne și CNRS, care a dezvoltat modelul teoretic împreună cu prof. Dmitry Solnyshkov și post-docul Daniil Bobylev. „Acest lucru este semnificativ deoarece starea fundamentală este cea mai stabilă și cea mai ușoară pentru acumularea de energie.” Pentru a confirma emisia laser, cercetătorii au introdus un colorant laser, obținând lumină care se rotește, este coerentă și are energie și direcție de emisie bine definite.

Prof. Dmitry Solnyshkov notează: „Este interesant că abordarea noastră se inspiră din teorii foarte avansate care implică o așa-numită sarcină vectorială. Deci, într-un fel, am reușit să facem fotonii să se comporte nu ca electronii, ci ca quarcii.” Prof. Wiktor Piecek de la Universitatea Militară de Tehnologie concluzionează: „Această descoperire deschide o nouă cale pentru crearea de surse de lumină miniaturale cu structuri complexe. În loc să ne bazăm pe nanotehnologie complexă, putem folosi materiale auto-organizante. În viitor, acest lucru poate permite dispozitive fotonice mai simple și mai scalabile, de exemplu pentru comunicarea optică sau tehnologiile cuantice.”