Val je poremećaj koji putuje kroz prostor. Osim što prenosi energiju, val može prenostiti i informacije. Ali ne mora. Da bi val prenostio informacije, primjerice neki tekst ili sliku, treba te informacije u njega nekako upisati. Taj proces kodiranja vala, upisivanja podataka u njega, nazivamo modulacijom. Ukratko, modulacija se svodi na to da valu, s vremenom, mijenjamo neko svojstvo. Neka od uobičajenih svojstava koja se mogu modulirati su, primjerice: amplituda (najveći otklon od ravnotežnog položaja), frekvencija (broj titraja u jedinici vremena), faza (kut koji se periodično mijenja u prostoru i vremenu, ovisan o periodu i valnoj duljini).

Amplitudna modulacija (AM), frekvencijska modulacija (FM) i fazna modulacija (PM) su samo neke od tipičnih analognih modulacijskih metoda. Njima se mijenja neko svojstvo elektromagnetskog vala koje je kontinuirana veličina. Zato kod demodulacije, ili čitanja informacija koje val prenosi, postoji izvjesna neodređenost odnosno mogućnost pogreške u dekodiranju.

Postoje i diskretna svojstva vala (preciznije, valnih paketa i valnih snopova). Brojne načine na koji njih moduliramo nazivamo digitalnim modulacijskim metodama. Kod njihove demodulacije mogućnost pogrešaka u dekodiranju značajno je manja.

Unatoč brojnim, dobro razvijenim modulacijskim metodama elektromagnetskih valova, konkretno svjetlosti, današnja optička komunikacija baš i nije učinkovita. Ograničava nas brzina elektronike kojom modulaciju i demodulaciju ostvarujemo. Zato u telekomunikacijskim primjenama imamo ograničenu brzinu prijenosa podataka. Prije optičkih kablova, kad smo na internet bili spojeni telefonskim žicama (DSL) brzina prijenosa podataka dosezala je otprilike 6 Mbps. Optički kablovi digli su tu brzinu stotinjak puta, na red veličine Gbps. No za videkonferenciju s puno učesnika ili za prijenos sirovih podataka koje je teleskop prikupljao cijele noći, to još uvijek nije optimalno. Ponovo podići brzinu prijenosa za dva do tri reda veličine ne bi bilo loše. Ali, kako? Postoji li neko svojstvo svjetlosnog snopa koje je diskretno, s puno mogućih stanja, koje se može brzo modulirati/demodulirati? Postoji. Orbitalni zamah.

Orbitalni zamah svjetlosti

Zamah ili kutna količina gibanja je vektorska fizička veličina koja opisuje jedno svojstvo rotacije tijela. Po analogiji sa zaletom ili količinom gibanja (vektorska fizička veličina koja opisuje jedno svojstvo translacije tijela), koji je umnožak mase i brzine, zamah je umnožak momenta tromosti i kutne brzine. I zalet i zamah su veličine koje su očuvane u zatvorenom sustavu. Zbog zakona očuvanja zamaha se klizačica na ledu zavrti brže (dobije veću kutnu brzinu) kad skupi ruke uz tijelo (čime smanji svoj moment tromosti). Zbog zakona očuvanja zamaha se i neutronska zvijezda oko svoje osi okreće stotine puta u sekundi dok se zvijezda iz koje je nastala okretala jednom u desetak dana.

U svijetu atoma i elementarnih čestica zamah je kvantizirana veličina. To znači da može poprimiti samo neke, diskretne vrijednosti. Osim toga, ne računa se na isti način kao u klasičnom, makroskopskom svijetu. Konkretno, foton (čestica svjetlosti) nema masu, ali svejedno ima zalet, koji se klasično računa kao umnožak mase i brzine. Također, snop svjetlosti (usmjereni roj fotona) nema moment tromosti, ali svejedno ima zamah, koji se klasično računa kao umnožak momenta tromosti i kutne brzine.

Taj zamah, ili kutna količina gibanja, snopa svjetlosti je vektorska veličina kojom opisujemo rotaciju prisutnu u elektromagnetskom polju snopa svjetlosti. Premda svjetlost putuje pravocrtno, svjetlosni snop može rotirati oko svoje osi. Takvu rotaciju ne možemo opaziti golim okom, no ona je mjerljiva pri interakciji svjetlosnog snopa i tvari. Osim toga, postoje dva doprinosa rotaciji svjetlosnog snopa. Jedan je povezan s polarizacijom (preferiranom ravninom titranja električnog polja EM vala). Njega nazivamo spinski zamah svjetlosti. Drugi je povezan s oblikom valne fronte (skup točaka u kojima val ima istu fazu). Njega nazivamo orbitalni zamah svjetlosti. E, upravo taj nas zanima.

Dalje, orbitalni zamah svjetlosti može biti vanjski i unutrašnji. Vanjski ovisi izvoru vala. Unutrašnji ne ovisi o izvoru nego samo o uvijenosti valne fronte. On je kvantiziran. Broj kvantnih stanja (koja je lako razlikovati) je praktični neograničen. Još kad bismo imali modulator s kojim snop svjetlosti postavljamo u ta stanja, dugoročno bismo riješili problem brzine prijenosa podataka.

Mikrolaser kao uvijač za svjetlost

Dakle, trebali bismo uređaj koji svjetlosti radi ono što kosi radi uvijač (ondulator ili figaro) – uvojke.

Upravo takav uvijač za svjetlost grupa fizičara osmislila je i ostvarila. Radi se o posebnom mikrolaseru kojim se snop svjetlosti zasad može može uviti na pet različitih načina. Ne samo da se može uviti nego se tih pet vrsta uvojaka lako mogu prepoznati.

Rezultate ovih istraživanja, objavio je prošli tjedan u radu Tunable topological charge vortex microlaser časopis Science. To ne znači da ćete već sutra internetom moći surfati brzinom od 100 Tbps, ali znači da je taj cilj ostvariv i da je već na vidiku.

Dario Hrupec docent je na Odjelu za fiziku Sveučilišta u Osijeku. Bavi se visokoenergijskom gama-astronomijom. Član je međunarodnih kolaboracija MAGIC i CTA. Autor je brojnih udžbenika iz fizike te znanstveno-popularizacijskih knjiga "Protiv nadnaravnoga" i "Ažurirani svemir".