Işık bir kasırga gibi dönebilir mi? Varşova Üniversitesi, Askeri Teknoloji Üniversitesi ve Institut Pascal CNRS'den bilim insanları bu soruya gür bir "evet" yanıtı vererek, son derece küçük bir yapının içinde dönen "optik kasırgalar" oluşturdu. Bu ilerleme, karmaşık şekillere sahip minyatür ışık kaynakları oluşturmanın yeni bir yolunu işaret ediyor ve optik iletişim ile kuantum teknolojileri için daha basit ve ölçeklenebilir fotonik cihazları destekleyebilir.

"Çözümümüz, kuantum mekaniğinden malzeme mühendisliğine, optikten katı hal fiziğine kadar birçok fizik alanını birleştiriyor," diye açıklıyor araştırma grubu lideri Varşova Üniversitesi'nden Prof. Jacek Szczytko. "İlham, atom fiziğinden bilinen, elektronların farklı enerji durumlarını işgal edebildiği sistemlerden geldi. Fotonikte benzer bir rol, elektronlar yerine ışığı hapseden optik tuzaklar tarafından oynanır." Çalışmanın ilk yazarı, Varşova Üniversitesi ve New York Şehir Koleji'nden Dr. Marcin Muszyński ekliyor: "Bunu optik bir girdap olarak düşünebilirsiniz. Işık dalgası kendi ekseni etrafında bükülür ve fazı sarmal bir şekilde değişir. Dahası, polarizasyon bile - elektrik alanının salınım yönü - dönmeye başlar."

Bu yapılandırılmış ışık durumları, kuantum iletişimi ve mikroskobik nesneleri kontrol etme gibi uygulamalar için caziptir, ancak bunları üretmek tipik olarak karmaşık nanoyapılar veya büyük deneysel sistemler gerektiriyordu. Ekip, farklı bir strateji seçerek, bir sıvı gibi akan ancak molekülleri bir kristal gibi düzenli bir şekilde sıralanan bir malzeme olan sıvı kristali kullandı. Bu malzeme içinde, toron olarak bilinen özel kusurlar oluşabilir. "Bunlar, DNA'ya benzer şekilde sıkıca bükülmüş spiraller olarak hayal edilebilir," diye açıklıyor, sıvı kristal numunelerini Askeri Teknoloji Üniversitesi'nden Dr. Eva Oton ile birlikte hazırlayan Varşova Üniversitesi nanoteknoloji öğrencisi Joanna Mędrzycka. "Böyle bir spiral, uçları birleştirilerek bir çöreği andıran bir halka haline getirilirse, bir toron elde ederiz."

Etkiyi güçlendirmek için toron, ışığı tekrar tekrar yansıtan ve hapseden bir ayna yapısı olan optik bir mikroboşluğun içine yerleştirildi. "Bu, alanı çok daha güçlü hale getiriyor," diyor Dr. Muszyński. "Ayrıca, harici bir elektrik voltajı kullanarak tuzağın boyutunu ve dolayısıyla ışığın özelliklerini kontrol edebiliyoruz." Ekip ayrıca yeni bir şey başardı: temel durumda, en düşük enerji durumunda kararlı ışık girdapları. "İlk kez, bu etkiyi temel durumda elde etmeyi başardık," diye açıklıyor, teorik modeli Prof. Dmitry Solnyshkov ve doktora sonrası araştırmacı Daniil Bobylev ile geliştiren Université Clermont Auvergne ve CNRS'den Prof. Guillaume Malpuech. "Bu önemli çünkü temel durum en kararlı olanıdır ve enerjinin birikmesi en kolay olanıdır." Lazerlemeyi doğrulamak için araştırmacılar bir lazer boyası ekleyerek dönen, tutarlı ve iyi tanımlanmış enerji ve emisyon yönüne sahip ışık elde etti.

Prof. Dmitry Solnyshkov, "İlginçtir ki yaklaşımımız, vektörel yük olarak adlandırılan çok ileri düzey teorilerden ilham alıyor. Yani bir bakıma, fotonların elektronlar gibi değil, kuarklar gibi davranmasını sağladık," diye belirtiyor. Askeri Teknoloji Üniversitesi'nden Prof. Wiktor Piecek sözlerini şöyle tamamlıyor: "Bu keşif, karmaşık yapılara sahip minyatür ışık kaynakları oluşturmak için yeni bir yol açıyor. Karmaşık nanoteknolojiye güvenmek yerine, kendi kendini organize eden malzemeleri kullanabiliriz. Gelecekte bu, örneğin optik iletişim veya kuantum teknolojileri için daha basit ve ölçeklenebilir fotonik cihazların önünü açabilir."