Topological steering of light by nematic vortices and analogy to cosmic strings

涡流 旋涡 物理 液晶 光子学 双折射 光束转向 光束 光学 拓扑缺陷 空间光调制器 轻型圆锥 拓扑(电路) 梁(结构) 凝聚态物理 量子力学 热力学 组合数学 数学
作者
Cuiling Meng,Jin-Sheng Wu,Ivan I. Smalyukh
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:22 (1): 64-72 被引量:32
标识
DOI:10.1038/s41563-022-01414-y
摘要

Liquid crystals are widely known for their technological uses in displays, electro-optics, photonics and nonlinear optics, but these applications typically rely on defining and switching non-topological spatial patterns of the optical axis. Here, we demonstrate how a liquid crystal's optical axis patterns with singular vortex lines can robustly steer beams of light. External stimuli, including an electric field and light itself, allow us to reconfigure these unusual light-matter interactions. Periodic arrays of vortices obtained by photo-patterning enable the vortex-mediated fission of optical solitons, yielding their lightning-like propagation patterns. Predesigned patterns and spatial trajectories of vortex lines in high-birefringence liquid crystals can steer light into closed loops or even knots. Our vortex lattices might find technological uses in beam steering, telecommunications, virtual reality implementations and anticounterfeiting, as well as possibly offering a model system for probing the interaction of light with defects, including the theoretically predicted, imagination-capturing light-steering action of cosmic strings, elusive defects in cosmology.
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