Por volta dos seis anos, começamos a aprender como amarrar nossos cadarços, fazendo nós que parecem fitas, ou possivelmente formas mais complexas, se formos um pouco desajeitados. Usamos nós todos os dias, mas o tipo de nós que geralmente usamos está associado a objetos físicos, coisas que podemos tocar.

Embora possa ser difícil de imaginar, a luz também pode ser moldada de maneiras que formam configurações com nós, cuja forma depende do momento angular orbital da luz. Este parâmetro é responsável por fazer o feixe de luz girar em torno de seu próprio eixo, gerando diferentes formas de nó, e expandindo para um novo grau de liberdade que pode transportar informações valiosas.

Aprender e dominar como gerar luz distorcida - luz com momento angular orbital - tem sido um campo de estudo próspero nos últimos 20 anos. Ao contrário do momento angular de rotação, que está associada à polarização da luz, o momento angular orbital está associado à distribuição espacial do campo elétrico. Esses dois tipos de momento angular também podem ser acoplados, o que resulta em uma variedade de campos de luz de diferentes formas com polarizações que mudam de ponto a ponto.

O comportamento da luz também se torna mais rico quando ela passa da oscilação em uma única frequência (luz monocromática) para a vibração em muitas frequências diferentes. Isso apresenta uma ampla gama de estados de polarização, cada um descrevendo uma forma que pode ser traçada pelo campo elétrico da luz ao longo do tempo. Combinar este espaço mais amplo de possibilidades com as variações espaciais produzidas pelo momento angular orbital deve produzir ainda mais espaço para conexões interessantes, mas até agora esta tem sido uma fronteira desconhecida:embora haja um grande corpo de pesquisas sobre luz estruturada, tem sido essencialmente focado em campos de uma única cor.

Em um estudo recente, publicado em dois artigos, as colaborações conjuntas de pesquisadores do ICFO abriram caminhos teóricos e experimentais neste novo campo, descobrindo novos tipos de nós para luz torcida e um novo tipo de momento angular.

No primeiro artigo, publicado em Nature Photonics , Emilio Pisanty, pesquisadores do ICFO, Gerard Jiménez Machado, Veronica Vicuña Hernández, Antonio Picón e Alessio Celi, liderado pelo ICREA Prof. no ICFO Maciej Lewenstein e UPC Prof. no ICFO Juan P. Torres, projetaram um feixe de luz com um estado de polarização que forma trevos de três lóbulos em cada ponto, combinando luz de diferentes frequências (w e 2w), e fazer com que os trifólios se conectem uns aos outros de forma que o feixe de luz, como um todo, tem a forma de um nó.

Esses feixes também exibem um novo tipo de momento angular, associado à simetria incomum dos feixes, que permanecem invariantes sob rotações - mas apenas quando a polarização é girada por uma fração específica da rotação da dependência espacial. Eles chamaram esta nova quantidade de momento angular do nó toróide, por causa do tipo de nó nas vigas.

Os pesquisadores também implementaram esses feixes experimentalmente, usando cristais não lineares para gerar os feixes, e eles projetaram um esquema de tomografia de polarização não linear para medir as formas do trifólio traçadas pelo campo elétrico. Suas medições mostram a presença de um novo tipo de singularidade óptica topologicamente protegida e robusta contra perturbações, causada pela orientação diferente dos trevos de polarização em pontos diferentes em torno de um centro polarizado circularmente.

No segundo artigo, publicado em Cartas de revisão física , Emilio Pisanty e Antonio Picón, pesquisadores do ICFO, liderado pelo professor do ICREA no ICFO Maciej Lewenstein, em colaboração com pesquisadores do grupo Laser Applications and Photonics da University of Salamanca e da CU Boulder, mostram que esta nova singularidade óptica pode ser aplicada a óptica não linear, mesmo nos extremos de alta intensidade e em situações não perturbativas.

Lá eles mostram, por meio de simulações teóricas, que os harmônicos de alta ordem produzidos pelos feixes de nó de toro em intensidades ultra-altas preservam a simetria coordenada do laser propulsor, formando espirais torcidas de pulsos ultracurtos de luz, e que o momento angular do nó toróide é conservado na interação. Esta nova simetria é essencial para a compreensão da produção de luz moldada em comprimentos de onda muito curtos, que pode ser usado para novas aplicações em microscopia, litografia e espectroscopia.

Os resultados de ambos os estudos fornecem novas estruturas e resultados que avançam o estudo da luz estruturada e da óptica não linear. Por um lado, os pesquisadores foram capazes de encontrar novas leis de conservação para a óptica não linear que se mantêm mesmo em situações extremas, onde dezenas ou centenas de fótons se combinam para formar fótons únicos de alta frequência. No outro, eles analisaram os campos de direção que tornam isso possível e mostraram que eles contêm uma nova singularidade óptica, com um novo grau de liberdade que pode ser usado para armazenar informações valiosas, abrindo a possibilidade de usar essas novas topologias de luz para futuras aplicações de comunicação, entre outros.