ٹوپولوجی کی بدولت، ریاضی کی ایک شاخ جو ہندسی اشیاء کی خصوصیات کو تلاش کرتی ہے جو مسلسل خرابی کے دوران یکساں رہتی ہیں، جنوبی افریقہ کی یونیورسٹی آف وٹ واٹرسرینڈ میں آئزک نیپ کی قیادت میں سائنس دانوں کی ایک ٹیم اور برطانیہ کی یونیورسٹی آف ایسٹ اینجلیا (UEA) میں کین فوربس نے ایک طریقہ دریافت کیا۔ بائیں-ہینڈنینس) اور اسپن۔
آپٹکس میں، chirality عام طور پر دائرہ دار پولرائزڈ روشنی کے ساتھ منسلک ہوتا ہے (جس میں بجلی کا میدان یا تو گھڑی کی سمت یا مخالف گھڑی کی سمت میں روشنی کے سفر کے ساتھ گھومتا ہے)۔
UEA کے سکول آف کیمسٹری، فارمیسی، اور فارماکولوجی کے ایک لیکچرر، فوربس کہتے ہیں، "ہمارا کام اس سوال سے حوصلہ افزائی کرتا ہے کہ آیا روشنی پھیلاؤ کے ذریعے اپنے مقامی ہاتھ کو پیدا کر سکتی ہے اور اسے کنٹرول کر سکتی ہے-بغیر کسی مادی انٹرفیس، میٹا سرفیس، یا بہت زیادہ توجہ مرکوز کیے،" فوربس کہتے ہیں، جو کہ UEA کے سکول آف کیمسٹری، فارمیسی، اور فارماکولوجی کے ایک لیکچرر ہیں، جہاں وہ - LMaphotics گروپ کی قیادت کرتے ہیں۔
ٹاپولوجیکل چارج موافقت
ٹوپولوجی خلا کے گرد ہلکی بیم کی ہوا کے مرحلے اور پولرائزیشن کے راستے میں داخل ہوتی ہے۔ "ساخت شدہ روشنی ہمیں ان خیالات کو ایک ساتھ لانے کی اجازت دیتی ہے تاکہ ہم ایسے شہتیروں کو ڈیزائن کر سکیں جن کا مرحلہ اور پولرائزیشن پورے بیم کے عین مطابق طریقے سے مختلف ہوتی ہے،" فوربس کی وضاحت کرتا ہے۔ "ہم ایک سادہ کنٹرول نوب کے طور پر کام کرنے والے شہتیر کی ٹوپولوجی کے امکان میں دلچسپی رکھتے تھے۔ پنچارتنم ٹوپولاجیکل چارج (ایک پیرامیٹر) کو تبدیل کر کے، ہم پھیلاؤ کے دوران روشنی کے مقامی گھماؤ اور چیریلٹی کو خود کو دوبارہ منظم کر سکتے ہیں۔"
یہ نوٹ کرنا ضروری ہے کہ اثر کے لیے کسی خاص مواد کی ضرورت نہیں ہے۔ اس صورت میں، ایک ساختی روشنی کی شہتیر-ایک ویکٹر وورٹیکس بیم کے مفت-خلائی پھیلاؤ کے دوران اسپن اور چیرالیٹی ابھرتی ہے۔
ویکٹر وورٹیکس بیم کیا ہے؟ فوربس کا کہنا ہے کہ "ویکٹر کا مطلب ہے کہ پولرائزیشن بیم میں یکساں ہونے کے بجائے مختلف ہوتی ہے۔" "ورٹیکس کا مطلب ہے کہ شہتیر مداری زاویہ کی رفتار کو لے کر جاتا ہے، جو ایک بٹی ہوئی فیز فرنٹ کے ساتھ منسلک ہوتا ہے۔ اور ٹوپولوجی اس طریقے سے داخل ہوتی ہے جس طرح شہتیر اپنے محور کے گرد گھماتا ہے۔ ہمارے کام میں، اس موڑ کو پنچارتنم ٹوپولاجیکل چارج کے ذریعے کنٹرول کیا جاتا ہے، جو یہ طے کرتا ہے کہ شہتیر کا مرحلہ اور پولرائزیشن کیسے مختلف ہوتی ہے جب ہم بیم کے گرد گھومتے ہیں۔"
شروع ہوائی جہاز میں، بیم گھماؤ-متوازن ہوتا ہے۔ اس کے بائیں- اور دائیں-سرکلر اجزاء یکساں طور پر موجود ہیں، اس لیے کوئی مقامی سرکلر پولرائزیشن نہیں ہے۔ "لیکن یہ دونوں اجزاء مختلف مداری ڈھانچے رکھتے ہیں،" فوربس بتاتا ہے۔ "جیسے جیسے شہتیر پھیلتا ہے، وہ مختلف گوئے فیزز اور مختلف ریڈیل پروفائلز حاصل کرتے ہیں۔ اس سے دائیں- اور بائیں-سرکلر اجزاء کو شعاعی طور پر الگ کر دیا جاتا ہے، جو مقامی اسپن اور آپٹیکل کیرالیٹی پیدا کرتا ہے۔"
یہ نوٹ کرنا ضروری ہے کہ اثر کے لیے کسی خاص مواد کی ضرورت نہیں ہے۔ اس صورت میں، ایک ساختی روشنی کی شہتیر-ایک ویکٹر وورٹیکس بیم کے مفت-خلائی پھیلاؤ کے دوران اسپن اور چیرالیٹی ابھرتی ہے۔
ویکٹر وورٹیکس بیم کیا ہے؟ فوربس کا کہنا ہے کہ "ویکٹر کا مطلب ہے کہ پولرائزیشن بیم میں یکساں ہونے کے بجائے مختلف ہوتی ہے۔" "ورٹیکس کا مطلب ہے کہ شہتیر مداری زاویہ کی رفتار کو لے کر جاتا ہے، جو ایک بٹی ہوئی فیز فرنٹ کے ساتھ منسلک ہوتا ہے۔ اور ٹوپولوجی اس طریقے سے داخل ہوتی ہے جس طرح شہتیر اپنے محور کے گرد گھماتا ہے۔ ہمارے کام میں، اس موڑ کو پنچارتنم ٹوپولاجیکل چارج کے ذریعے کنٹرول کیا جاتا ہے، جو یہ طے کرتا ہے کہ شہتیر کا مرحلہ اور پولرائزیشن کیسے مختلف ہوتی ہے جب ہم بیم کے گرد گھومتے ہیں۔"
شروع ہوائی جہاز میں، بیم گھماؤ-متوازن ہوتا ہے۔ اس کے بائیں- اور دائیں-سرکلر اجزاء یکساں طور پر موجود ہیں، اس لیے کوئی مقامی سرکلر پولرائزیشن نہیں ہے۔ "لیکن یہ دونوں اجزاء مختلف مداری ڈھانچے رکھتے ہیں،" فوربس بتاتا ہے۔ "جیسے جیسے شہتیر پھیلتا ہے، وہ مختلف گوئے فیزز اور مختلف ریڈیل پروفائلز حاصل کرتے ہیں۔ اس سے دائیں- اور بائیں-سرکلر اجزاء کو شعاعی طور پر الگ کر دیا جاتا ہے، جو مقامی اسپن اور آپٹیکل کیرالیٹی پیدا کرتا ہے۔"
سٹرکچرڈ لائٹ فوٹوونکس، آپٹیکل ہیرا پھیری، چیرل سینسنگ
سامنے آنے والی تین سب سے واضح ایپلی کیشنز ممکنہ طور پر لائٹ فوٹوونکس، آپٹیکل ہیرا پھیری، اور چیرل سینسنگ ہیں۔ ایک اور ممکنہ استعمال ہائی-جہتی فوٹوونک انفارمیشن پروسیسنگ ہے، کیونکہ بیم اسپن اور مداری کونیی مومینٹم کو قابل کنٹرول طریقے سے جوڑتا ہے۔
نیپ کہتے ہیں، "اصولی طور پر، ہماری دریافت کلاسیکی اور کوانٹم سٹرکچرڈ لائٹ دونوں سے متعلق ہے، جہاں معلومات کو پولرائزیشن (اسپننگ لائٹ) اور مقامی موڈز (مڑی ہوئی روشنی) میں انکوڈ کیا جا سکتا ہے۔" "فوٹاون اسپن اور موڑ کو روشن لیزر بیم کے اندر اور واحد فوٹوون کی سطح پر ایک حروف تہجی کے طور پر استعمال کیا جا سکتا ہے۔ ہر ایک الگ ریاست ایک مختلف معلوماتی علامت کی نمائندگی کرتی ہے۔"
ٹیم کا موجودہ کام کلاسیکی آپٹیکل فزکس ہے، لیکن کوانٹم فوٹوونکس کے لیے آزادی، گھماؤ، مداری کونیی مومینٹم، اور مقامی موڈ ڈھانچہ کی وہی ڈگریاں بھی استعمال ہوتی ہیں۔ نیپ کہتے ہیں، "ہماری طویل-مدّت دلچسپی یہ ہے کہ آیا اس قسم کی ٹوپولوجی-کنٹرولڈ اسپن-مدار کا ڈھانچہ اعلی-جہتی فوٹوونک حالتوں کو تیار کرنے، تبدیل کرنے، یا انکوڈنگ کرنے کے لیے کارآمد ہو سکتا ہے۔"
اس کے بعد، محققین یہ جاننے کا ارادہ رکھتے ہیں کہ یہ طریقہ کار کتنا عام اور مفید ہے۔ نیپ کہتے ہیں، "ہم نے دکھایا ہے کہ پنچارتنم ٹوپولاجیکل چارج سپن اور چیرالیٹی کو مفت-خلائی پھیلاؤ پر کنٹرول کر سکتا ہے، اور اب سوال یہ ہے کہ اس کنٹرول کو کس حد تک آگے بڑھایا جا سکتا ہے،" نیپ کہتے ہیں۔ "ہم اس میں بھی دلچسپی رکھتے ہیں کہ اسے معلومات کی انکوڈنگ، آپٹیکل ہیرا پھیری، اور چیرل لائٹ-معاملے کے تعامل کے لیے کیسے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ ہمارا وسیع تر مقصد ایک دلچسپ ساختی روشنی کے اثر کو ظاہر کرنے سے لے کر اسے عملی ڈیزائن کے اصول کے طور پر تیار کرنا ہے۔"
