فیزیکدانان در آمریکا و چین دستگاه‌های سیلیکونی ساخته‌‌اند که تنها چندین هزار میلیمتر اندازه دارند اما می‌توانند به نور چرخشی دهند که با تکانه زاویه‌ای مداری همراه باشد. محققان می‌گویند با تغییر این ویژگی روی دامنه مقادیر، چنین دستگاه‌هایی پهنای باند موجود را برای ارتباطاتِ راه دور افزایش می‌دهند و از کامپیوترهای کوانتومیِ قدرتمند پشتیبانی می‌کنند.

حلقه‌های کوچکی که به نور چرخش می‌دهند.

اندازه حرکت زاویه‌ای اسپینی یک پرتو نور، ویژگی آشنایی است که با قطبش، جهتی که در آن میدان الکتریکی نوسان می‌کند، همراه است. نور می‌تواند تکانه زاویه‌ای مداری نیز داشته باشد که باعث تغییر جهت جبهه موج بر حسب زمان می‌شود. یک باریکه همگرا شده عادی، جبهه موجی دارد که با جهت انتشار زاویه 90 درجه می‌سازد و این زاویه ثابت باقی می‌ماند در حالیکه یک باریکه با تکانه زاویه‌ای مداری، جبهه موجی دارد که حول محور انتشار می‌چرخد و یک گرداب یا فنر ایجاد می‌کند. هرچه این تکانه بزرگتر باشد، گرداب و یا فنر ایجاد شده کشیده‌تراست. تولید تکانه زاویه‌ای مداری با استفاده از تغییر فاز موج در سراسر صفحه عمود بر جهت انتشار صورت می‌گیرد در صورتی که در مورد یک باریکه همگرا شده، در سراسر این صفحه، فاز یکسان است. فیزیکدانان روش‌هایی برای انجام این کار مطرح کرده‌اند مانند قرار دادن لنز‌ها و هولوگرام‌های نامتقارن در مسیر حرکت باریکه. روش دوم توسط مایل پگت در دانشگاه گلسگو انگلستان با استفاده از کامپیوتر پیاده‌سازی شده است.

مفید اما حجیم

این تکنیک‌ها منجر به کاربردهای خاصی شده است. برای مثال استفاده از باریکه لیزر برای چرخش ذرات در دستگاه‌هایی که اسپنر اپتیکی نامیده می‌شوند. اما اجزای این دستگاه‌ها که شامل صفحات هولوگرام و یا لنز می‌باشد، حجیم‌اند. برای بهره‌برداری بیشتر از تکانه زاویه‌ای مداری شاید به دستگاه‌های کوچکتری نیاز باشد به‌طوری که بتوان آن را در یک تراشه جای داد چون بسیاری از کاربردهای پیشنهاد شده نیاز به تولید تعداد زیادی گرداب فشرده دارد. سال گذشته کریستوفر دور و لورنس بور در لابراتوار بل در آمریکا گزارش ساخت  سیستمی را بر پایه تراشه سیلیکونی دادند. این دستگاه شامل موجبرهایی پره‌مانند است که فاز بین موجبرهای مجاور اندکی تغییر پیدا می‌کند به گونه‌ای که نور خروجی دارای تکانه زاویه‌ای مداری باشد. اما اندازه این دستگاه در مقایسه با استاندارد‌های مدارهای مجتمع مدرن بزرگ بود. در آخرین کار، سیوان یو و همکارش از دانشگاه بریستول دستگاه‌های سیلیکونی ساختند که دارای موجبرهای مستقیم است. این موجبرها به تشدید‌کننده‌های میکرو رینگیِ اصلاح شده‌ای متصل هستند. این تشدید‌کننده‌ها نور را در روشی مشابه با روش‌های قبلی به دام می‌اندازند. اما آن‌ها تعدادی برآمدگی کوچک روی سطح داخلی حلقه‌ها ایجاد کرده‌اند تا توری پراشی ایجاد شود که اجازه دهد نور از حلقه‌ها بگریزد. محققان فهمیدند با تنظیم فاصله بین این برآمدگی‌ها می‌توانند به نور چرخش دهند. اگر این فاصله با طول موج نور برابر باشد، همه پرتوهای نور با زاویه قائمه از حلقه‌ها خارج شده و تشکیل یک جبهه موج مسطح می‌دهند و در صورتی که این تطابق وجود نداشته باشد، زاویه خروجی در امتداد محیط حلقه‌ها تغییر می‌کند و به این ترتیب تغییر فاز لازم برای ایجاد تکانه زاویه‌ای مداری به وجود می‌آید. آنان معتقدند به خاطر ابعاد این دستگاه، شاید بتوان از آن برای عکس‌برداری دو بعدی از اشیاء استفاده کرد. مانند  سلول‌های زیستی که می‌توانند مقدار تکانه‌زاویه‌ای مداری نوری که از آن‌ها عبور می‌کند، نیز تغییر دهند. محققان در تلاش‌اند که مقادیر مختلفی برای اندازه حرکت زاویه‌ای مداری با استفاده از تغییر ضریب شکست حلقه‌ها به طور الکترونیکی به وجود آورند. درحقیقت آن‌ها می‌خواهند دستگاه‌هایی بسازند که مقادیر تکانه زاویه‌ای مداری مختلفی در یک زمان تولید کند. این می‌تواند پهنای باند ارتباطات راه دور را با افزایش تعداد کانال‌های موجود بالا ببرد. هم‌چنین به ما نوید این را می‌دهد که قدرت  کامپیوترهای کوانتومی را به واسطه پردازش حالت‌های کوانتومی چندگانه تقویت کند. در حال حاضر این کامپیوترها تنها بر چرخش الکترون و یا پروتون تکیه دارند که تنها دو حالت دارد اما تکانه زاویه‌ای مداری حالت‌های متعددی را داراست.

منبع : http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/oct/19/chip-puts-a-twist-on-light

نویسنده :Edwin Cartlidge