Vers l'âge de six ans, nous commençons à apprendre à attacher nos lacets, faire des nœuds qui ressemblent à des rubans - ou peut-être à des formes plus complexes, si nous sommes un peu maladroits. Nous utilisons des nœuds tous les jours, mais le type de nœuds que nous utilisons généralement sont associés à des objets physiques, choses que nous pouvons toucher.

Bien qu'il puisse être difficile à imaginer, la lumière peut également être façonnée de manière à former des configurations nouées, dont la forme dépend du moment angulaire orbital de la lumière. Ce paramètre est chargé de faire tordre le faisceau lumineux autour de son propre axe, générer différentes formes de nœuds, et l'expansion vers un nouveau degré de liberté qui peut transporter des informations précieuses.

Apprendre et maîtriser comment générer de la lumière torsadée - une lumière avec un moment angulaire orbital - est un domaine d'études florissant depuis 20 ans. Contrairement au moment angulaire de spin, qui est associée à la polarisation de la lumière, le moment angulaire orbital est associé à la distribution spatiale du champ électrique. Ces deux types de moment cinétique peuvent également être couplés, ce qui se traduit par une variété de champs lumineux de formes différentes avec des polarisations qui changent d'un point à l'autre.

Le comportement de la lumière s'enrichit également lorsqu'elle passe d'une oscillation à une seule fréquence (lumière monochromatique) à une vibration à plusieurs fréquences différentes. Cela introduit un large éventail d'états de polarisation, chacun décrivant une forme qui peut être tracée par le champ électrique de la lumière au fil du temps. La combinaison de cet espace de possibilités plus large avec les variations spatiales produites par le moment angulaire orbital devrait produire encore plus de place pour des connexions intéressantes, mais jusqu'à présent, cela a été une frontière inexplorée :alors qu'il existe un grand nombre de recherches sur la lumière structurée, il s'est essentiellement concentré sur des champs à une seule couleur.

Dans une étude récente, publié dans deux articles, les collaborations conjointes des chercheurs de l'ICFO ont innové théoriquement et expérimentalement dans ce nouveau domaine, découvrir de nouveaux types de nœuds pour la lumière tordue et un nouveau type de moment angulaire.

Dans le premier article, Publié dans Photonique de la nature , Les chercheurs ICFO Emilio Pisanty, Gérard Jiménez Machado, Veronica Vicuña Hernández, Antonio Picón et Alessio Celi, dirigé par ICREA Prof. à ICFO Maciej Lewenstein et UPC Prof. à ICFO Juan P. Torres, ont conçu un faisceau lumineux avec un état de polarisation qui forme en chaque point des trèfles trilobés, en combinant des lumières de fréquences différentes (w et 2w), et faire en sorte que les trèfles se connectent les uns aux autres de telle sorte que le faisceau lumineux, dans son ensemble, a la forme d'un nœud.

Ces faisceaux présentent également un nouveau type de moment cinétique, associée à la symétrie inhabituelle des poutres, qui restent invariants sous les rotations - mais seulement lorsque la polarisation est tournée d'une fraction spécifique de la rotation de la dépendance spatiale. Ils ont nommé cette nouvelle quantité le moment angulaire en nœud de tore, en raison du type de nœud dans les poutres.

Les chercheurs ont également mis en œuvre ces faisceaux expérimentalement, utiliser des cristaux non linéaires pour générer les faisceaux, et ils ont conçu un schéma de tomographie à polarisation non linéaire pour mesurer les formes de trèfle tracées par le champ électrique. Leurs mesures montrent la présence d'un nouveau type de singularité optique topologiquement protégée et robuste aux perturbations, causée par l'orientation différente des trèfles de polarisation en différents points autour d'un centre polarisé circulairement.

Dans le deuxième article, Publié dans Lettres d'examen physique , Les chercheurs de l'ICFO Emilio Pisanty et Antonio Picón, dirigé par ICREA Professeur à ICFO Maciej Lewenstein, en collaboration avec des chercheurs du groupe Applications Laser et Photonique de l'Université de Salamanque et du CU Boulder, montrer que cette nouvelle singularité optique peut être appliquée à l'optique non linéaire, même aux extrêmes de haute intensité et dans des situations non perturbatrices.

Là, ils montrent, via des simulations théoriques, que les harmoniques d'ordre élevé produites par les faisceaux toriques aux ultra-hautes intensités préservent la symétrie coordonnée du laser d'entraînement, formant des spirales torsadées d'impulsions lumineuses ultra-courtes, et que le moment angulaire tore-nœud est conservé dans l'interaction. Cette nouvelle symétrie est essentielle pour comprendre la production de lumière façonnée à de très courtes longueurs d'onde, qui peut être utilisé pour de nouvelles applications en microscopie, lithographie et spectroscopie.

Les résultats des deux études fournissent de nouveaux cadres et résultats qui font progresser l'étude de la lumière structurée et de l'optique non linéaire. D'une part, les chercheurs ont pu trouver de nouvelles lois de conservation pour l'optique non linéaire qui tiennent même dans des situations extrêmes où des dizaines ou des centaines de photons se combinent pour former des photons uniques à haute fréquence. De l'autre, ils ont analysé les champs moteurs qui rendent cela possible et ont montré qu'ils contiennent une nouvelle singularité optique, avec un nouveau degré de liberté qui pourrait être utilisé pour stocker des informations précieuses, ouvrant la possibilité d'utiliser ces nouvelles topologies de lumière pour de futures applications de communication, entre autres.