Kan ljus snurra som en virvelvind? Forskare från Warszawas universitet, Militärtekniska universitetet och Institut Pascal CNRS har svarat med ett rungande ”ja” och skapat virvlande ”optiska tornador” inuti en extremt liten struktur. Framsteget pekar mot ett nytt sätt att bygga miniatyrljuskällor med komplexa former, vilket skulle kunna stödja enklare och mer skalbara fotoniska enheter för optisk kommunikation och kvantteknologier.

”Vår lösning kombinerar flera fysikområden, från kvantmekanik, via materialteknik, till optik och fasta tillståndets fysik”, förklarar prof. Jacek Szczytko från Warszawas universitet, forskningsgruppens ledare. ”Inspirationen kom från system kända från atomfysik, där elektroner kan uppta olika energitillstånd. Inom fotoniken spelas en liknande roll av optiska fällor, som fångar ljus istället för elektroner.” Dr. Marcin Muszyński, försteförfattare till studien från Warszawas universitet och City College of New York, tillägger: ”Man kan tänka på det som en optisk virvel. Ljusvågen vrider sig runt sin axel, och dess fas förändras på ett spiralformat sätt. Dessutom börjar även polarisationen – riktningen på elektriska fältets svängning – att rotera.”

Dessa strukturerade ljustillstånd är attraktiva för tillämpningar som kvantkommunikation och kontroll av mikroskopiska objekt, men att producera dem har vanligtvis krävt komplicerade nanostrukturer eller stora experimentella system. Teamet valde en annan strategi, med hjälp av en flytande kristall – ett material som flyter som en vätska men vars molekyler ordnar sig på ett ordnat sätt, som en kristall. Inuti detta material kan speciella defekter som kallas toroner bildas. ”De kan föreställas som hårt tvinnade spiraler, liknande DNA”, förklarar Joanna Mędrzycka, en nanoteknikstudent vid Warszawas universitet som tillsammans med Dr. Eva Oton från Militärtekniska universitetet förberedde de flytande kristallproverna. ”Om en sådan spiral sluts genom att dess ändar sammanfogas till en ring som liknar en munk, får vi en toron.”

För att förstärka effekten placerades toronen inuti en optisk mikrokavitet – en struktur av speglar som upprepade gånger reflekterar ljus och håller det instängt. ”Detta gör fältet mycket starkare”, säger Dr. Muszyński. ”Dessutom kan vi kontrollera fällans storlek, och därmed ljusets egenskaper, med hjälp av en extern elektrisk spänning.” Teamet uppnådde också något nytt: stabila ljusvirvlar i grundtillståndet, det lägsta energitillståndet. ”För första gången lyckades vi uppnå denna effekt i grundtillståndet”, förklarar prof. Guillaume Malpuech från Université Clermont Auvergne och CNRS, som utvecklade den teoretiska modellen tillsammans med prof. Dmitry Solnyshkov och postdoktor Daniil Bobylev. ”Detta är betydelsefullt eftersom grundtillståndet är det mest stabila och det lättaste för energi att samlas i.” För att bekräfta lasring införde forskarna ett laserfärgämne och fick ljus som roterar, är koherent och har väldefinierad energi och emissionsriktning.

Prof. Dmitry Solnyshkov noterar: ”Det är intressant att vår metod hämtar inspiration från mycket avancerade teorier som involverar en så kallad vektoriell laddning. Så på sätt och vis har vi lyckats få fotoner att bete sig inte ens som elektroner, utan som kvarkar.” Prof. Wiktor Piecek från Militärtekniska universitetet avslutar: ”Denna upptäckt öppnar en ny väg för att skapa miniatyrljuskällor med komplexa strukturer. Istället för att förlita sig på komplex nanoteknik kan vi använda självorganiserande material. I framtiden kan detta möjliggöra enklare och mer skalbara fotoniska enheter, till exempel för optisk kommunikation eller kvantteknologier.”