Den optomekaniske Kerker-effekt:Styrende lys med vibrerende nanopartikler

For at Kerker-effekten skal opstå, partikler skal have elektrisk og magnetisk polariserbarhed af samme styrke. Det her, imidlertid, er meget udfordrende at opnå, da magnetiske optiske resonanser i små partikler er relativt svage. Forskere ved Ioffe Institute, i St. Petersborg, har for nylig vist, at en lignende effekt kan opnås, når små partikler ryster i rummet.

"Selvom lysspredningen har været forstået i mere end et århundrede efter Rayleighs værker, Raman, Landsberg og Mandelstam, det forbliver både en grundlæggende og anvendt udfordring at dirigere lys spredt på nanoskala i den retning efter behag, "Alexander Poshakinskiy, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Evnen til at kontrollere retningen, frekvens og polarisering af det spredte lys er afgørende for driften af ​​optiske kredsløb."

Enheder, der kan styre retningen af ​​spredt lys, kan have adskillige nyttige anvendelser, især til betjening af antenner og dirigering af lys. I 1980'erne, forskere teoretiserede, at en retningsbestemt spredning af lys kan opnås via den såkaldte Kerker-effekt. Denne effekt udnytter i det væsentlige interferensen af ​​elektriske og magnetiske dipolemissionsmønstre, som har forskellig rumlig paritet, hvilket giver undertrykkelse af spredning fremad eller bagud, når de overlejres.

"Realisering af den konventionelle Kerker-effekt kræver, at partiklerne har elektrisk og magnetisk polariserbarhed af samme styrke, " sagde Poshakinskiy. "Men, dette er udfordrende, fordi magnetisk respons ved optiske frekvenser er ekstremt svag. En mulig løsning er at bruge store nanopartikler af submikronstørrelse, der hoster både elektriske og magnetiske Mie-resonanser. Imidlertid, optisk Kerker-effekt for partikler, der er mindre end bølgelængden i mediet, er stadig umulig. I vores arbejde, vi viser, at selv små partikler, der mangler magnetisk respons i hvile, få det, når de begynder at skælve i rummet, muliggør realisering af det, vi kalder optomekanisk Kerker-effekt."

I den optomekaniske Kerker-effekt, foreslået af Poshakinskiy og hans kollega Alexander Poddubny, den indstillelige retningsbestemte spredning af lys opnås for en partikel, der mangler magnetiske resonanser, når den skælver i rummet. Den elektriske dipols rystende bevægelse i rummet fører til udseendet af en magnetisk dipol, som man kunne forvente af Lorentz-forvandlingen.

"Vi viser, at magnetisk og elektrisk dipol induceret i den skælvende partikel af indfaldende lys kontraintuitivt er af samme størrelsesorden, når uelastisk spredning betragtes, " Forklarede Poshakinskiy. "Faseforskellen mellem de elektriske og magnetiske dipoler er styret af frekvensafhængigheden af ​​partiklernes permittivitet. For en resonanspartikel, dette muliggør kontrol af spredningsretningen via afstemning af lysfrekvensen fra resonansen:Lyset spredes fortrinsvis fremad ved resonans og bagud væk fra det. "

Forskerne viser, at i den optomekaniske Kerker-effekt, værdien, der kvantificerer, hvor meget af lyset, der er spredt i en bestemt retning sammenlignet med alle andre retninger (dvs. kan være så høj som 5,25. Dette overstiger direktiviteten på 3 opnået i den klassiske Kerker-effekt, på grund af det ekstra elektriske quadrupol momentum induceret af den mekaniske bevægelse.

I deres undersøgelse, Poshakinskiy og Poddubny introducerede også en anden effekt, som de refererer til som 'den optomekaniske spin-Hall-effekt'. I denne virkning, en retningsbestemt uelastisk spredning af lys, afhængig af dens cirkulære polarisering, er realiseret for en lille skælvende partikel.

"Den optomekaniske spin-Hall-effekt kan opnås, når en partikel vibrerer omkring en cirkulær bane i stedet for en lige linje, " sagde Poshakinskiy. "Vi viser, at partiklens vinkelmekaniske momentum kan overføres til lysets spin. Så opnår de elektromagnetiske bølger spredt af den skælvende partikel til venstre og til højre modsat cirkulær polarisering."

Resultaterne indsamlet af Poshakinskiy og Poddubny tyder på, at interaktionen mellem lys og mekanisk bevægelse har en iboende multipolær natur. Denne kvalitet kan udnyttes i en række forskellige systemer, lige fra kolde atomer til todimensionelle materialer og superledende qubits.

"Vi mener, at den foreslåede optomekaniske Kerker åbner et nyt tværfagligt felt ved at afdække, for første gang, til vores viden, en meget utriviel forbindelse mellem optomekanik og nanofotonik, " sagde Poshakinskiy. "Fra et praktisk synspunkt, de foreslåede effekter kan bruges til at designe ikke-gensidige optiske enheder i nanoskala."

Optisk ikke-gensidighed, hvilket betyder, at lys transmitteres frem og tilbage gennem et optisk kredsløb forskelligt, er afgørende for optisk signalbehandling. De fleste eksisterende ikke-gensidige optomekaniske enheder er baseret på optiske resonatorer, som begrænser deres minimale størrelse til sub-mikroner. Resultaterne indsamlet af Poshakinskiy og Poddubny viser, at indstillelig optomekanisk ikke-gensidighed også kan forekomme på nanoskala, når der bruges små rystende partikler med resonant polariserbarhed.

"Optisk ikke-gensidighed er også en nøgleingrediens for design af fotoniske topologiske kredsløb, " tilføjede Poshakinskiy. "I en række skælvende partikler, man kan forvente en uorden-robust udbredelse af lys og lyd, sikret ved tidsmodulation af optiske og mekaniske egenskaber."

Studiet udført af Poshakinskiy og Poddubny viser, hvordan den justerbare retningsbestemte spredning af lys kan opnås på nanoskala, introduktion af de optomekaniske Kerker- og spin-Hall-effekter. I fremtiden, deres resultater kunne have flere interessante anvendelser, for eksempel, informere om design af ikke-gensidige topologiske kredsløb. Forskerne planlægger nu at demonstrere den optomekaniske Kerker-effekt i laboratorieforsøg.

"Beviset på konceptet ville være observation af retningsbestemt tilbagespredning af skælvende genstande, som kan realiseres selv væk fra materielle resonanser, " Poshakinskiy sagde "Vi mener, at dette kan gøres i en række forskellige systemer, f.eks. halvleder kvanteprikker, overgangsmetal dichalcogenider eller grafen. Imidlertid, nøglefunktionen ved den optomekaniske Kerker-effekt er muligheden for at skifte spredningsretningen mellem frem og tilbage. Dette kræver partikler med ekstremt skarpe resonanser i deres elektromagnetiske respons. Vores estimater viser, at sådan omskiftning kan realiseres for kolde atomer i optiske fælder eller superledende qubits i radiofrekvenskredsløb."

© 2019 Science X Network