Fysikere narrer fotoner til at opføre sig som elektroner ved hjælp af et syntetisk magnetfelt

Forskere har opdaget en elegant måde at manipulere lys ved hjælp af en 'syntetisk' Lorentz-kraft - som i naturen er ansvarlig for mange fascinerende fænomener, herunder Aurora Borealis.

Et team af teoretiske fysikere fra University of Exeter har været banebrydende for en ny teknik til at skabe justerbare kunstige magnetiske felter, som gør det muligt for fotoner at efterligne dynamikken af ​​ladede partikler i rigtige magnetfelter.

Holdet mener, at den nye forskning, udgivet i førende tidsskrift Naturfotonik , kan have vigtige konsekvenser for fremtidige fotoniske enheder, da det giver en ny måde at manipulere lys under diffraktionsgrænsen.

Når ladede partikler, som elektroner, passerer gennem et magnetfelt føler de en Lorentz-kraft på grund af deres elektriske ladning, som krummer deres bane rundt om magnetfeltlinjerne.

Denne Lorentz-styrke er ansvarlig for mange fascinerende fænomener, lige fra det smukke nordlys, til den berømte quantum-Hall-effekt, hvis opdagelse blev tildelt Nobelprisen.

Imidlertid, fordi fotoner ikke bærer en elektrisk ladning, de kan ikke direkte kontrolleres ved hjælp af rigtige magnetiske felter, da de ikke oplever en Lorentz-kraft; en alvorlig begrænsning, der er dikteret af fysikkens grundlæggende love.

Forskergruppen har vist, at det er muligt at oprette kunstige magnetfelter til lys ved at forvrænge bikage metasoverflader-ultratynde 2-D overflader, der er konstrueret til at have struktur på en skala, der er meget mindre end lysets bølgelængde.

Exeter-teamet blev inspireret af en bemærkelsesværdig opdagelse for ti år siden, hvor det blev vist, at elektroner, der formerer sig gennem en belastet grafenmembran, opfører sig som om de blev udsat for et stort magnetfelt.

Den største ulempe ved denne strain engineering tilgang er, at for at indstille det kunstige magnetfelt er det nødvendigt at modificere belastningsmønsteret med præcision, hvilket er ekstremt udfordrende, hvis ikke umuligt, at gøre med fotoniske strukturer.

Exeter-fysikerne har foreslået en elegant løsning for at overvinde denne fundamentale mangel på tunability.

Charlie-Ray Mann, ledende videnskabsmand og forfatter til undersøgelsen, forklarer:"Disse metasurfaces, understøtte hybride lys-stof excitationer, kaldet polaritoner, som er fanget på metasfladen.

"De afbøjes derefter af forvrængningerne i metaoverfladen på samme måde som hvordan magnetiske felter afbøjer ladede partikler.

"Ved at udnytte den hybride natur af polaritonerne, vi viser, at du kan tune det kunstige magnetfelt ved at modificere det virkelige elektromagnetiske miljø, der omgiver metaoverfladen."

Til undersøgelsen, forskerne indlejrede metaoverfladen mellem to spejle - kendt som et fotonisk hulrum - og viser, at man kan tune det kunstige magnetfelt ved kun at ændre bredden af ​​det fotoniske hulrum, derved fjernes behovet for at modificere forvrængningen i metaoverfladen.

Charlie tilføjede:"Vi har endda demonstreret, at du kan slukke for det kunstige magnetfelt helt ved en kritisk hulrumsbredde, uden at skulle fjerne forvrængning i metasfladen, noget, der er umuligt at gøre i grafen eller et system, der efterligner grafen.

"Ved at bruge denne mekanisme kan du bøje polaritonernes bane ved hjælp af en afstembar Lorentz-lignende kraft og også observere Landau-kvantisering af polariton-cyklotronbanerne, i direkte analogi med, hvad der sker med ladede partikler i rigtige magnetfelter.

"I øvrigt, Vi har vist, at du drastisk kan omkonfigurere Polariton Landau-niveauspektret ved blot at ændre hulrummets bredde."

Dr. Eros Mariani, lederen af ​​undersøgelsen, sagde:"At være i stand til at efterligne fænomener med fotoner, der normalt menes at være eksklusive for ladede partikler, er fascinerende fra et grundlæggende synspunkt, men det kan også have vigtige konsekvenser for fotoniske applikationer.

"Vi er spændte på at se, hvor denne opdagelse fører hen, da det stiller mange spændende spørgsmål, som kan udforskes i mange forskellige eksperimentelle platforme på tværs af det elektromagnetiske spektrum."