چگونه نور را مثل یک نوار موبیوس بپیچانیم؟
چگونه نور را مثل یک نوار موبیوس بپیچانیم؟
نوار موبیوس را می‌توانید به سادگی در خانه بسازید- فقط کافیست یک نوار کاغذی را بردارید، آن را نیم دور بپیچانید و بعد دو سرش را به هم وصل کنید. با وجود سادگی ظاهری، این حلقه دارای خاصیت عجیبی است و آن اینکه فقط یک سطح و یک لبه دارد. همچنین بسیار به ندرت در طبیعت ظاهر می‌شود و تا پیش از این در نور دیده نشده بود. اکنون، یک گروه بین‌المللی از فیزیکدان‌ها چنین شکلی را با استفاده از قطبش نور لیزر ایجاد کرده‌اند و محققان می‌گویند که می‌توان از این طرح الکترومغناطیسی در ساخت انواع جدیدی از ساختارهای کوچک مقیاس مانند شبه ماده‌ها استفاده کرد.
امکان ساخت نوار موبیوس نوری در ۲۰۰۵ توسط آیزاک فروند پیشنهاد شد. فروند محاسبه کرد که یک جفت پرتوی لیزری را می‌توان طوری دستکاری کرد که محوری که جمع میدان‌های الکتریکی آن‌ها در راستایش نوسان می‌کند- یعنی بردار قطبش- یک نوار موبیوس را جاروب کند. او پیشنهاد کرد از پرتوهایی با اسپین و تکانه زاویه‌ای متفاوت استفاده کرده و در زوایای بخصوصی با هم تداخل داده شوند. اسپین- یا قطبش دایروی- در یک موج الکترومغناطیسی عبارت است از قطبش آن که در دایره‌ای عمود بر جهت انتشار به صورت ساعتگرد یا پادساعتگرد می‌چرخد. اندازه حرکت زاویه‌ای مداری هم از پیچش جبهه موج پرتو حول محور انتشارش ناشی می‌شود.
چالش طولی
به طور معمول، موج نور در صفحه‌ای ارتعاش می‌کند که بر جهت حرکتش عمود است. اما لازمه‌ی خلق طرح‌های نوری سه بعدی مانند نوار موبیوس این است که مطمئن شویم نور یک مولفه‌ی طولی در راستای انتشار هم دارد. به نظر می‌رسد ایده‌ی فروند برای ایجاد این مولفه طولی به لحاظ تجربی بسیار چالش برانگیز است. بنابراین در جدیدترین تحقیق، پیتر بانزر از بخش علوم نوری موسسه ماکس پلانک در ارلانگن و همکارانش در آلمان، کانادا، ایتالیا و آمریکا روش متفاوتی را در پیش گرفته‌اند.بانزر و همکارانش از ابزار کریستال مایع معروف به صفحه‌ی q استفاده کرده‌اند. وقتی یک صفحه‌ی q در معرض پرتویی با اسپین مشخص قرار می‌گیرد، پرتو را به گونه‌ای تغییر می‌دهد که اسپین مخالف و ۲q واحد اندازه حرکت زاویه‌ای مداری پیدا می‌کند. q می‌تواند هر مقدار نیم صحیحی باشد و مشخصه‌ی صفحه‌ی خاصی است که مورد استفاده قرار گرفته است. این گروه از پرتوی لیزر سبز رنگی استفاده کردند که برهم‌نهی دو موج با اسپین‌های مخالف بود. حاصل کار پرتویی بود که قطبش آن در امتداد پهنایش تغییر می‌کرد. در مرکز آن قطبش دایروی داشت اما با دور شدن از مرکز، دارای قطبش خطی- با بردار قطبش متغیر- می‌شد.http://bigbangpage.com/wp-content/up...028-2-20pc.jpg
تمرکز زیاد
برای تعمیم طرح دو بعدی به سه بعد، پژوهشگران نور را از درون یک عدسی میکروسکوپ با قدرت متمرکز کنندگی زیاد عبور دادند. به این ترتیب پرتو دارای مولفه‌ای طولی شد که اندازه‌ی آن به میزان تمرکز بستگی داشت. نتیجه، نوار موبیوسی از قطبش با پهنایی در حدود nm250-200 بود. با تغییر صفحه‌ی q، محققین توانستند نوارهای موبیوسی با سه نیم پیچش (q=-1/2) و پنج نیم پیچش (q=-3/2) ایجاد کنند. ابراهیم کریمی، عضو گروه از دانشگاه اوتاوا می‌گوید:« اینکه آیا چنین توپولوژی‌ای می‌تواند به طور فیزیکی وجود داشته باشد یا فقط یک توصیف ریاضی است به صورت معما درآمده بود. اما اکنون آن را در آزمایشگاه دیده‌ایم و می‌دانیم که نظریه‌ی فروند درست است».خود فروند این جدیدترین تحقیق را یک «شاهکاری درخشان در مرزهای فناوری نوری» می‌داند و عنوان می‌کند که «چیزی بیش از اثبات یک پیش بینی خاص است زیرا نشان می‌دهد که اندازه‌گیری ساختار قطبشِ تمام سه بعدیِ نور امکان‌پذیر است». او می‌افزاید: این یک موفقیت است و بدون شک در سایر سیستم‌های نوری سه بعدی توسط محققان دنبال خواهد شد.
غنای توپولوژیکی
سایر متخصصین این رشته هم تحقیق مذکور را تحسین کرده‌اند. مایکل بری از دانشگاه پریستول می‌گوید که این کار نیازمند «تسلطی هنرمندانه» بر چندین تکنیک اپتیکی بود و «بر پیش‌بینی فروند از غنای هندسی و اپتیکی نهفته در قوانین الکترومغناطیس و قابل بیان بر حسب نور تاکید دارد». در عین حال، به گفته‌ی میلس پاجت از دانشگاه گلاسگو، نتایج ممکن است کاربردهای مهمی در خلق اجسام سه بعدی کوچک با توپولوژی نامتعارف- از جمله نوارهای موبیوس خیلی کوچک- داشته باشد که با استفاده از لیتوگرافی معمولی کار بسیار مشکلی است زیرا در آنجا کنترلی بر مولفه طولی پرتوی نور وجود ندارد. کریمی در مصاحبه با physicsworld گفت با توجه به حساسیت بالای پلیمرها به قطبش نور، ممکن است تکنیک جدید تا حدودی برای در اختیار گرفتن آن‌ها به کار بیاید. او همچنین معتقد است طرح احتمالاً در ساخت شبه ماده‌ها یعنی مواد مصنوعی با خواص اپتیکی غیر عادی که می‌توان از آن‌ها در ساخت ابزارهای نوری استفاده کرد، مفید واقع شود.
منبع : بیگ بنگ
