Structured light-matter interactions: from fundamentals to applications

结构光-物质相互作用:从基础到应用

基本信息

  • 批准号:
    RGPIN-2021-04308
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 2.99万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    加拿大
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    加拿大
  • 起止时间:
    2021-01-01 至 2022-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Current photonics technologies are based on interaction of simple or scalar light with matter. However, light beams can be complex and twisted - vector beams possessing spin and orbital angular momentum. The vector nature of light can influence the characteristics of light-matter interactions, therefore, opens new opportunities in both the classical and quantum photonics technologies. The vision of this discovery program is to develop novel tools and innovative technologies by engineering new states of light, to control and probe light-matter interactions in molecules and solids. Chiral molecules and their interactions are critical in a variety of chemical and biological processes. Commonly used analytical methods have poor detection efficiency. Using twisted light beams, we propose to significantly enhance chiral sensitivity by several orders of magnitude with detection efficiency up to single molecule level. It can be a potential game changer that can revitalize the use of chiral spectroscopy in pharmacology where about 60% of drugs being developed are chiral. We will also explore techniques to probe excited state dynamics and provide impactful insights into the influence of vector nature of light on molecular transitions and energy coupling. Designer light-molecule interactions will enable control of photochemical processes, thereby offering new opportunities in emerging technologies such as molecular electronics, nano- and bio-photonics. The development of smart materials and next generation nanodevices requires engineering the material properties with nanometer spatial precision and control. Ultrafast laser processing of materials is a key emerging technology in industrial production. However, current technology uses simple light beams. We propose to exploit the unique properties of twisted light beams to precisely manipulate and control material properties in 3D. Our research enables control and optimization of the modification dynamics providing unprecedented opportunities for smart machining, active tuning of optical properties, and fabrication of re-configurable embedded optical circuits to meet the demands of next generation photonic devices, sensors, nano-printing and optical data storage. The research program fills a timely gap in Canadian research landscape. Its breadth and scope ensure HQP are well trained in both fundamental and applied aspects of light-matter interactions. Their expertise in emerging technologies will be sought after by the Canadian photonics industry, which is currently experiencing a technological shift from traditional communications to advanced manufacturing and quantum photonics. The knowledge acquired and the technologies developed over the next 5 years could potentially secure a global competitive edge for the Canadian photonics sector. The translation of research discoveries into application in public and private sectors is anticipated to lead to socio-economic benefits to Canadians.
当前的光子技术基于简单或标量光与物质的相互作用。然而,光束可能是复杂且扭曲的——具有自旋和轨道角动量的矢量光束。光的矢量性质可以影响光与物质相互作用的特征,因此为经典光子学和量子光子学技术开辟了新的机遇。该发现计划的愿景是通过设计新的光态来开发新颖的工具和创新技术,以控制和探测分子和固体中的光与物质的相互作用。手性分子及其相互作用在各种化学和生物过程中至关重要。常用的分析方法检测效率较差。使用扭曲光束,我们建议将手性灵敏度显着提高几个数量级,检测效率达到单分子水平。它可能是一个潜在的游戏规则改变者,可以重振手性光谱在药理学中的应用,其中大约 60% 正在开发的药物是手性的。我们还将探索探测激发态动力学的技术,并就光的矢量性质对分子跃迁和能量耦合的影响提供有影响力的见解。设计师设计的光-分子相互作用将能够控制光化学过程,从而为分子电子学、纳米光子学和生物光子学等新兴技术提供新的机遇。智能材料和下一代纳米器件的开发需要以纳米空间精度和控制来设计材料特性。材料超快激光加工是工业生产中的一项关键新兴技术。然而,当前的技术使用简单的光束。我们建议利用扭曲光束的独特属性来精确操纵和控制 3D 材料属性。我们的研究能够控制和优化改性动力学,为智能加工、主动调整光学特性以及制造可重新配置的嵌入式光学电路提供前所未有的机会,以满足下一代光子器件、传感器、纳米打印和光学数据的需求贮存。该研究项目及时填补了加拿大研究领域的空白。其广度和范围确保总部在光与物质相互作用的基础和应用方面都受到良好的培训。他们在新兴技术方面的专业知识将受到加拿大光子学行业的追捧,该行业目前正在经历从传统通信到先进制造和量子光子学的技术转变。未来五年所获得的知识和开发的技术可能会确保加拿大光子学领域的全球竞争优势。研究发现转化为公共和私营部门的应用预计将为加拿大人带来社会经济效益。

项目成果

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