Na vida cotidiana, a luz parece intangível. Caminhamos por ele e o criamos e extinguimos com o apertar de um botão. Mas, como a matéria, a luz na verdade carrega um pequeno impacto – ela tem impulso. A luz empurra constantemente as coisas e pode até ser usada para empurrar naves espaciais. A luz também pode girar objetos se transportar momento angular orbital (OAM) – a propriedade associada à tendência de um objeto em rotação de continuar girando.



Os cientistas sabem que a luz pode ter OAM desde o início dos anos 90 e descobriram que o OAM da luz está associado a redemoinhos ou vórtices na fase da luz – a posição dos picos ou vales das ondas eletromagnéticas que compõem a luz . Inicialmente, a pesquisa sobre OAM concentrou-se nos vórtices que existem na seção transversal de um feixe de luz – a fase girando como a hélice de um avião voando ao longo do caminho da luz.

Mas nos últimos anos, físicos da UMD, liderados pelo professor de física da UMD, Howard Milchberg, descobriram que a luz pode transportar o seu OAM num vórtice virado para o lado – a fase gira como a roda de um carro, rolando junto com a luz. Os pesquisadores chamaram essas estruturas de luz de vórtices ópticos espaço-temporais (STOVs) e descreveram o momento que elas carregam como OAM transversal.

“Antes das nossas experiências, não se sabia que as partículas de luz – fotões – poderiam ter OAM apontados lateralmente”, diz Milchberg. "Os colegas inicialmente pensaram que era estranho ou errado. Agora, a pesquisa sobre STOVs está crescendo rapidamente em todo o mundo, com possíveis aplicações em áreas como comunicações ópticas, óptica não linear e formas exóticas de microscopia."

Em artigo publicado na revista Physical Review X , a equipe descreve uma nova técnica usada para alterar o OAM transversal de um pulso de luz à medida que ele viaja. Seu método requer algumas ferramentas de laboratório, como lasers especializados, mas, em muitos aspectos, lembra girar um carrossel de playground ou torcer uma chave inglesa.

"Como os STOVs são um campo novo, nosso principal objetivo é obter uma compreensão fundamental de como eles funcionam. E uma das melhores maneiras de fazer isso é mexer com eles, "diz Scott Hancock, pesquisador de pós-doutorado em física da UMD e primeiro autor de o papel. "Basicamente, quais são as regras físicas para alterar o OAM transversal de um pulso de luz?"

Em trabalhos anteriores, Milchberg, Hancock e colegas descreveram como criaram e observaram pulsos de luz que transportam OAM transversal, e em um artigo publicado na Physical Review Letters em 2021, eles apresentaram uma teoria que descreve como calcular este OAM e fornece um roteiro para alterar o OAM transversal de um STOV.

As consequências descritas na teoria da equipe não são tão diferentes da física em jogo quando as crianças estão no parquinho. Quando você gira um carrossel, você altera o momento angular empurrando-o, e a eficácia de um empurrão depende de onde você aplica a força - você não ganha nada empurrando o eixo para dentro e a maior mudança empurrando lateralmente. a borda externa.

A massa do carrossel e tudo o que está nele também afeta o momento angular. Por exemplo, crianças que saltam de um carrossel em movimento retiram parte do momento angular, tornando o carrossel mais fácil de parar.

A teoria da equipe sobre o OAM transversal da luz é muito semelhante à física que governa o giro de um carrossel. No entanto, o seu carrossel é um disco feito de energia luminosa disposto numa dimensão de espaço e outra de tempo, em vez de duas dimensões espaciais, e o seu eixo move-se à velocidade da luz.

A teoria deles prevê que empurrar diferentes partes de um pulso de luz em formato de carrossel pode alterar seu OAM transversal em diferentes quantidades e que se um pouco de luz for espalhado por uma partícula de poeira e deixar o pulso, então o pulso perde alguma parte transversal. OAM com isso.

A equipe se concentrou em testar o que aconteceu quando eles deram um empurrão nos vórtices transversais do OAM. Mas alterar o OAM transversal de um pulso de luz não é tão fácil quanto dar um empurrão sólido em um carrossel; não há matéria para agarrar e aplicar uma força. Para alterar o OAM transversal de um pulso de luz, você precisa alterar sua fase.

À medida que a luz viaja pelo espaço, a sua fase muda naturalmente, e a rapidez com que a fase muda depende do índice de refração do material através do qual a luz viaja. Assim, Milchberg e a equipe previram que, se conseguissem criar uma mudança rápida no índice de refração em locais selecionados do pulso à medida que ele passasse, isso iria agitar aquela parte do pulso.

No entanto, se todo o pulso passar pela área com um novo índice de refração, eles previram que não haveria nenhuma mudança no OAM – como ter alguém no lado oposto de um carrossel tentando desacelerá-lo enquanto você está tentando acelerá-lo.

Para testar a sua teoria, a equipa precisava de desenvolver a capacidade de agitar uma pequena secção de um pulso que se movia à velocidade da luz. Felizmente, o laboratório de Milchberg já inventou as ferramentas apropriadas. Em vários experimentos anteriores, o grupo manipulou a luz usando lasers para a rápida geração de plasmas – uma fase da matéria na qual os elétrons foram libertados de seus átomos. O processo é útil porque o plasma traz consigo um novo índice de refração.

No novo experimento, a equipe usou um laser para fazer colunas estreitas de plasma, que eles chamaram de fios transitórios, que são pequenos o suficiente e surgem com rapidez suficiente para atingir regiões específicas do pulso durante o vôo. O índice de refração de um fio transitório desempenha o papel de uma criança empurrando o carrossel.

Os pesquisadores geraram o fio transitório e alinharam meticulosamente todos os seus feixes para que o fio interceptasse com precisão a seção desejada do pulso portador de OAM. Depois que parte do pulso passou pelo fio e recebeu um movimento, o pulso atingiu um analisador de pulso óptico especial que a equipe inventou. Como previsto, quando os pesquisadores analisaram os dados coletados, descobriram que o movimento do índice de refração alterou o OAM transversal do pulso.

Eles então fizeram pequenos ajustes na orientação e no tempo do fio transitório para atingir diferentes partes do pulso de luz. A equipe realizou múltiplas medições com o fio transitório cruzando a parte superior e inferior de dois tipos de pulsos:STOVs que já carregavam OAM transversal e um segundo tipo chamado pulso gaussiano sem nenhum OAM.

Para os dois casos correspondentes ao empurrar um carrossel já girando ou estacionário, eles descobriram que o maior empurrão foi alcançado aplicando o movimento transitório do fio próximo às bordas superior e inferior do pulso de luz.

Para cada posição, eles também ajustaram o tempo do laser de fio transitório em várias execuções, de modo que diferentes quantidades de pulso viajassem através do plasma e o vórtice recebesse uma quantidade diferente de impulso. Pesquisadores que anteriormente geraram vórtices de luz que eles descrevem como “donuts voadores de ponta” agora realizaram experimentos onde perturbam o caminho dos vórtices no meio do vôo para estudar mudanças em seu momento. Crédito da imagem:Laboratório de Interações Intensas Laser-Matéria, UMD

Pesquisadores que anteriormente geraram vórtices de luz que eles descrevem como “donuts voadores de ponta” agora realizaram experimentos onde perturbam o caminho dos vórtices no meio do vôo para estudar mudanças em seu momento. Crédito da imagem:Laboratório de Interações Intensas Laser-Matéria, UMD

A equipe também mostrou que, como um carrossel, empurrar com o giro adiciona OAM, e empurrar contra ele remove OAM. Como as bordas opostas do carrossel óptico viajam em direções opostas, o fio de plasma poderia cumprir ambas as funções mudando sua posição, mesmo sendo sempre empurrado na mesma direção. O grupo afirma que os cálculos que realizaram utilizando a sua teoria estão em excelente concordância com os resultados da sua experiência.

“Acontece que o plasma ultrarrápido fornece um teste de precisão da nossa teoria OAM transversal”, diz Milchberg. "Ele registra uma perturbação mensurável no pulso, mas não uma perturbação tão forte que o pulso fique completamente confuso."

A equipe planeja continuar explorando a física associada ao OAM transversal. As técnicas que desenvolveram podem fornecer novos insights sobre como o OAM muda ao longo do tempo durante a interação de um feixe de laser intenso com a matéria (que foi onde o laboratório de Milchberg descobriu pela primeira vez o OAM transversal).

O grupo planeja investigar aplicações de OAM transversal, como a codificação de informações em pulsos de luz giratórios. Os resultados deste experimento demonstram que as flutuações que ocorrem naturalmente no índice de refração do ar são muito lentas para alterar o OAM transversal de um pulso e distorcer qualquer informação que ele esteja transportando.

“Está numa fase inicial desta investigação”, diz Hancock. "É difícil dizer para onde irá. No entanto, parece ser muito promissor para a física básica e aplicações. Chamar-lhe excitante é um eufemismo."

Mais informações: SW Hancock et al, Spatiotemporal Torquing of Light, Revisão Física X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.011031
Informações do diário: Revisão Física X , Cartas de revisão física

Fornecido pela Universidade de Maryland