Strukturirana svetloba kot orodje za tvorbo in analizo novih stanj snovi

Preučevanje mikroskopskih lastnosti preko interakcije s fotoni ali drugimi delci prinaša neprecenljive podatke o snovi, ki jih s pridom uporabljajo številne znanstvene discipline, npr. v kemija, biologija in fizika, zanimivi pa so tudi za številna tehnološka področja. Pri prehodu skozi snov fotoni predajo atomom energijo, gibalno količino, pa tudi spinsko in tirno vrtilno količino. Spinska vrtilna količina (SAM) svetlobnega žarka je povezana z njegovo polarizacijo, tirno vrtilno količino (OAM) pa določa prostorski profil žarka. Na primer, žarki z vijačno oblikovanimi valovnimi frontami imajo dobro definiran OAM, ki kaže vzdolž smeri širjenja žarka. Načrtovanje in izvedba najosnovnejših poskusov z optičnimi vrtinčnimi žarki je zahtevna naloga. Primarne razloge za to lahko pripišemo dejstvu, da učinkovit prenos OAM na atome ovira ničelna intenziteta na osi žarka in da je prenos močno odvisen od oddaljenosti atomov iz osi žarka. Dejansko so atomi močno lokalizirani glede na premer žarka, ki nosi OAM. Atomi , ki so izmaknjeni iz osi žarka občutijo svetlobno polje, značilno za navadni Gaussov žarek, atomi v bližini optične osi, kjer je vrednost OAM ostro določena, pa občutijo zelo majhno polje. Poleg tega je pri homogeni tarči delež atomov blizu osi majhen. Čeprav se prenos optične OAM na fotoelektrone zdi malo verjeten, mora biti, če se zgodi, posledica nove vrste nedipolnega prehoda, ki je povezan z vektorskim potencialom OAM in bi ga lahko uporabili, na primer za indukcijo magnetizacije v molekulah. V preteklosti so na vidnem območju svetlobe že pripravili fotonske žarke, ki nosijo neničelno OAM. V nedavnem projektu, ki ga je financirala ARRS (J1–8134), smo predlagali: a) razvoj učinkovitih shem, ki omogočajo pripravo izjemno kratkotrajnih, zavrtenih žarkov v rentgenskem in kratkovalovnem ultravijoličnem (XUV) spektralnem področju in sicer s svetlobnimi viri, ki temeljijo na generiranju visokih harmonskih komponent (HHG) v plinih ter z laserjem na proste elektrone (FEL); b) izvedbo temeljnega poskusa, ki pokaže prenos OAM iz svetlobnega žarka na atome. Projekt je bil uspešen. S tem projektom želimo izkoristiti edinstvene lastnosti virov, ki smo jih postavili, in preiti od prvih demonstracijskih poskusov do tehnik za pripravo, kontrolo in diagnostiko novih snovi, ki temeljijo na prenosu OAM. Glavni cilji znanstvenih raziskav, ki jih predlagamo, so povzeti spodaj: 1) Predlagamo razvoj nove metode za generacijo sunkov usmerjenega, lokaliziranega magnetnega polja z nastavljivim trajanjem (nanometrska prostorska skala, femto-nanosekundna časovna skala). 2) Predlagamo postavitev nove metode, ki temelji na uklonu svetlobe OAM in bo omogočila topološko rekonstrukcijo nanostruktur ter časovno razločene raziskave magnetnega helikoidnega dikroizma. 3) Kot temeljno vprašanje, povezano z zgoraj navedenim, načrtujemo nadaljnjo preučitev zakonov in praktičnih možnosti, ki določajo prenos OAM na atome. Za dosego teh ciljev bomo izkoristili dolgoletno strokovno znanje skupin univerze v Novi Gorici in Instituta Jožef Stefan. Sodelovanje bo okrepila podpora teoretske skupine Univerze v Halleu. Predvideno je tudi sodelovanje s skupino iz CEA Pariz in s skupino z Univerze Cergy Pariz, ter s skupinami, ki uporabljajo laser na proste elektrone Fermi v laboratoriju Elettra Sincrotrone Trst. Eksperimentalne dejavnosti se bodo izvajale na skupin Univerzi v Novi Gorici, na Institutu Jožef Stefan in z laserjem na proste elektrone FERMI na Elettri.