موضوع مقاله: تکانۀ زاویه‌ای گردشی نور | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # تکانۀ زاویه‌ای گردشی نور | مقدمه: تکانهٔ زاویه‌ای گردشی نور، دو نوع دارد؛ تکانهٔ زاویه‌ای گردشی داخلی، تکانه زاویه‌ای مستقل‌ازمنبع یک پرتو نور است که با جبهه موج مارپیچی مرتبط است. | ## بخش 1: تکانۀ زاویه‌ای گردشی نور | تکانهٔ زاویه‌ای گردشی خارجی، تکانهٔ زاویه‌ای وابسته‌به‌منبع است که از ضرب خارجی موقعیت پرتو نور (مرکز پرتو) و تکانه خطی کل آن به دست می‌آید. پرتو نور یک تکانه خطی دارد و از این رو می‌توان به آن یک تکانه زاویه‌ای خارجی نیز نسبت داد. اگر مبدأ را روی محور پرتو انتخاب کنیم و پرتو هم استوانه‌ای متقارن باشد (دست‌کم، توزیع تکانه آن)، تکانه زاویه‌ای خارجی ناپدید می‌شود. تکانه زاویه‌ای خارجی شکلی از تکانهٔ زاویه‌ای گردشی است، زیرا ربطی به قطبش ندارد و به توزیع فضایی میدان نوری بستگی دارد. یک نمونهٔ جالب‌تر از تکانهٔ زاویه‌ای گردشی، تکانهٔ زاویه‌ای گردشی داخلی است و وقتی پیدا می‌شود که یک پرتو نور پیرامحوری (پاراکسیال، به انگلیسی: Paraxial) در مود مارپیچی (به انگلیسی: helical) قرار دارد. در مود مارپیچیِ میدان الکترومغناطیسی، جبهه موج به‌شکل مارپیچ دور محور پرتو، و یک گرداب نوری در مرکز است (شکل را ببینید). اگر ، مود، مارپیچی نیست و جبهه‌های موج، چندین سطح جدا هستند، برای نمونه، دنباله‌ای از صفحات موازی (که نام موج تخت از آن گرفته شده است). اگر ، جبهه موج به‌شکل یک سطح مارپیچی یگانه با گام برابر با طول موج است و چپ‌گردی یا راست‌گردی پرتو، با علامت مشخص می‌شود. | ## بخش 2: تکانۀ زاویه‌ای گردشی نور | اگر ، جبهه موج از سطح مارپیچی متمایز اما درهم‌تنیده و با گام هر سطح مارپیچی برابر با تشکیل می‌شود. فرمول‌بندی بیان کلاسیک تکانه زاویه‌ای گردشی چنین است: که و ، به‌ترتیب، میدان الکتریکی و پتانسیل برداری هستند و گذردهی خلاء است. به‌ویژه، در رویکرد کوانتومی، هر فوتون ممکن است تکانه زاویه‌ای گردشی زیر را دارا باشد: که در آن بار توپولوژیکی را می‌توان از میدان الکتریکی پرتوهای گردابی به‌دست‌آورد. عبارت کلی تابع موج مربوطه (توابع ویژه عملگر تکانه زاویه‌ای گردشی) چنین است: که در دستگاه مختصات استوانه‌ای تعریف می‌شود. این عبارت مربوط به امواجی است که جبهه موج مارپیچی در محور پرتو و یک گرداب نوری در مرکز دارند (شکل بالا را ببینید). اگر فاز دارای نمایه مارپیچی باشد، پرتو حاصل یک پرتو لاگر-گاوسی با کانه زاویه‌ای گردشی مشخص است. تکانه زاویه‌ای گردشی در مود دلخواه را می‌توان به‌طور مصنوعی با استفاده از ابزارهای مختلفی مانند صفحه فاز مارپیچی، مدولاتور نوری فضایی و صفحه q پدیدآورد. صفحه موج مارپیچی ساخته‌شده از پلاستیک یا شیشه، صفحه‌ای‌ست که در آن ضخامت ماده، به صورت مارپیچی افزایش می‌یابد تا یک گرادیان فاز روی نور گذرنده از آن پدیدآورد. | ## بخش 3: تکانۀ زاویه‌ای گردشی نور | برای یک طول موج معین و یک مود تکانه زاویه‌ای گردشی معین، لازم است که ارتفاع پله (ارتفاع میان نازک‌ترین و کلفت‌ترین بخش صفحه) باشد، که ضریب شکست صفحه است. اگرچه صفحات موج کارآمد هستند، تولید آنها نسبتاً گران است و در کل برای طول موج‌های گوناگون نور قابل تنظیم نیستند. یک مود تکانه زاویه‌ای گردشی با را می‌توان با افزایش اختلاف تعداد خطوط بالا و پایین به‌هم‌خوردگی پدیدآورد. در صفحات موج مارپیچی، این توری‌های پراش برای ثابت هستند، گرچه محدود به طول موج خاصی نیستند. یک مدولاتور نوری فضایی به روشی مشابه توری پراش عمل می‌کند، اما می‌تواند توسط کامپیوتر نیز کنترل شود تا طیف گسترده‌ای از مودهای تکانه زاویه‌ای گردشی را پدیدآورد. کاربردها انتقال داده‌ها تحقیق نشان داده‌است که با بهره‌گیری از تکانه زاویه‌ای گردشی نور می‌توان حجم بی‌سابقه‌ای از داده‌ها را از راه فیبر نوری منتقل کرد. برپایۀ آزمایش‌های نخستین، با انتقال رشته‌ای از داده‌ها که روی یک پرتو نوری با هشت مود تکانه زاویه‌ای گردشی گوناگون ، مالتی‌پلکس شده‌اند، به ظرفیت انتقال داده تا ۲٫۵ ترابیت (معادل ۶۶ دی‌وی‌دی یا ۳۲۰ گیگابایت) بر ثانیه رسیده‌اند. نجوم رادیویی در سال ۲۰۱۹، مقاله‌ای که در ماهنامه انجمن سلطنتی نجوم منتشر شد، شواهدی را پیش نهاد که نشان می‌داد سیگنال‌های رادیویی تکانه زاویه‌ای گردشی از نزدیک سیاه‌چاله M87* در فاصله بیش‌از ۵۰ میلیون سال نوری دریافت شده است. | ## جمع‌بندی | این نشان می‌دهد که اطلاعات تکانه زاویه‌ای نوری می‌توانند در فاصله‌های نجومی منتشر شوند.