Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Pequim desenvolveram um manipulador fotônico TAM que utiliza efetivamente o momento angular do fóton, abrindo novos caminhos para transmissão de dados, criptografia e processamento quântico de sinais. A nova tecnologia permite a identificação eficiente e o controle em tempo real dos padrões de momento angular.

Objetos em rotação carregam momento angular, uma propriedade que se estende às menores partículas, como os fótons. Os fótons possuem duas formas diferentes de momento angular: momento angular de spin (SAM) e momento angular orbital (OAM). O momento angular de spin dança entre dois autovalores, representando a polarização circular esquerda e direita, enquanto o momento angular orbital tem um número infinito de autovalores, correspondendo à fase espiral. Quando o SAM é combinado com o OAM, testemunhamos o surgimento do "momento angular total" (TAM), uma caixa de ferramentas fotônica com uma ampla gama de aplicações, abrangendo lidar, processamento a laser, comunicações ópticas, computação óptica, informação quântica e muito mais.

Assim como o OAM trouxe mudanças revolucionárias para o campo, a identificação eficiente e o controle em tempo real dos padrões do TAM também fornecem a chave para as aplicações inovadoras do TAM. No entanto, os métodos existentes para identificar estados TAM de fótons têm limitações, incluindo faixa dinâmica limitada, baixa precisão de identificação e incapacidade de ajustar filtros em tempo real. Essas restrições limitam o progresso do desenvolvimento e da aplicação do TAM. Extrair o padrão TAM desejado de um feixe de fótons permanece um mistério sem solução.

Estrutura conceitual do manipulador de momento angular total: Um feixe que transporta vários modos de momento angular é filtrado através do manipulador. Fonte: Li et al., doi10.1117/1.AP.5.5.056002.

De acordo com a revista Advanced Photonics, pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Pequim desenvolveram um manipulador fotônico TAM que remove obstáculos e permite a manipulação sob demanda de SAMs e OAMs. A sua abordagem envolve uma cascata simétrica de duas unidades semelhantes: um divisor TAM e um inversor TAM. Essas unidades consistem em elementos ópticos especializados chamados desempacotadores e corretores.

Podemos pensar no manipulador fotônico TAM como um maestro, conduzindo uma orquestra sinfônica de luz. O divisor TAM converte o feixe de entrada em uma combinação de franjas dispostas espacialmente, com cada franja representando um padrão TAM. O filtro espacial começa a funcionar, decidindo quais padrões TAM precisam ser retidos e quais precisam ser bloqueados. Finalmente, o reversor TAM traz o feixe separado de volta ao domínio espacial para completar a sinfonia. Este processo de conversão mapeia o feixe incidente do domínio espacial para o "domínio posição-TAM", permitindo a filtragem antes da conversão para o domínio espacial.

Desempenho do sistema em situações de passagem e bloqueio seletivo quando vários estados do TAM são incidentes. (a) Resultados experimentais do feixe incidente; (b) Espectros TAM do feixe de saída nos dois casos acima. No caso de passagem, o modo de saída é igual ao modo de entrada. Para o caso de bloqueio seletivo, o filtro espacial colocado no plano de separação é Sp2. Quando bloqueados, o padrão desses feixes muda de formato de pétala para formato de rosca. Fonte: Li et al., doi10.1117/1.AP.5.5.056002.

A demonstração experimental relatada pelos pesquisadores apoia a identificação de até 42 padrões individuais de TAM. Os resultados da pesquisa mostram que o TAM tem um bom desempenho seletivo de estado e, portanto, é particularmente atraente para transmissão de dados de alta velocidade e grande capacidade e sistemas de criptografia fotônica de alta segurança. Ele também fornece novas perspectivas sobre computação fotônica de alta fidelidade e processamento quântico de sinais de radar.