At få lyset til at føle et magnetfelt som en elektron ville

I modsætning til elektroner er lyspartikler uladede, så de reagerer ikke på magnetfelter. På trods af dette har forskere nu eksperimentelt fået lys til effektivt at "føle" et magnetfelt i en kompliceret struktur kaldet en fotonisk krystal, som er lavet af silicium og glas.

Inde i krystallen drejer lyset i cirkler, og forskerne observerede for første gang, at det danner diskrete energibånd kaldet Landau-niveauer, som er parallelt med et velkendt fænomen, der ses i elektroner.

Denne opdagelse kunne pege på nye måder at øge lysets interaktion med stof, et fremskridt, der har potentialet til at forbedre fotoniske teknologier, såsom meget små lasere.

Dette arbejde, ledet af forskere ved Penn State, var baseret på en tidligere teoretisk forudsigelse af teammedlemmerne Penn State professor i fysik Mikael Rechtsman, Penn State kandidatstuderende Jonathan Guglielmon og Columbia University matematiker Michael Weinstein.

Et papir, der beskriver eksperimenterne, blev offentliggjort den 23. april i tidsskriftet Nature Photonics sammen med et andet papir fra en separat gruppe forskere i Holland, ledet af Ewold Verhagen, som uafhængigt observerede det samme fænomen.

"For ladede partikler som elektroner er der en masse interessant fysik, der er resultatet af deres interaktioner med magnetiske felter," sagde Rechtsman, lederen af ​​forskerholdet. "På grund af dette har der været en interesse i at efterligne denne fysik for fotoner, som ikke er ladede og derfor ikke reagerer på magnetiske felter."

Når elektroner, der er begrænset til en todimensionel overflade, udsættes for et stærkt magnetfelt, bevæger de sig i cirkulære eller "cyklotron"-baner. Bevægelsen af ​​disse baner bliver kvantificeret - elektronerne bliver begrænset til visse diskrete energier, som kaldes Landau-niveauer.

"Landau-niveauer er på en måde beslægtet med energiniveauerne af elektronorbitaler omkring kernen af ​​et atom," sagde Rechtsman. "I et atom er energiniveauerne et resultat af tiltrækningen af ​​negativt ladede elektroner til den positivt ladede kerne, hvorimod Landau-niveauer er resultatet af interaktionen mellem elektronerne med et magnetfelt. Vi brugte en metode til at emulere et magnetfelt - kaldet et pseudomagnetisk felt felt - for lys ved præcist at manipulere strukturen af ​​en fotonisk krystal."

Forskerholdet skaber disse krystaller i små plader af silicium, svarende til hvad der bruges til at lave computerchips, på Nanofabrication Laboratory i Materials Research Institute i Penn State. De skaber et honeycomb-lignende gitter af huller i siliciumpladen, som kun er 1/1000 af tykkelsen af ​​et menneskehår.

Forskerne skinner laserlys ind i den krystalholdige plade, og gittermønsteret får noget af lyset til at hoppe rundt i krystallen. Holdet kan derefter måle lysets spektrum, når det forlader krystallen. For at efterligne virkningerne af et magnetfelt tilføjer forskerne en "belastning" til gitterets mønster.

"Til det uanstrengte gitter fremstillede vi en honeycomb-struktur ud af trekantede huller i nanoskala, der gentages i hele rummet i et todimensionelt mønster," forklarede Rechtsman. "For at tilføje belastningen lavede vi en anden plade, men deformerede mønsteret. Det nye mønster ser ud, som om vi trak op på de to sider, mens vi trak ned på bunden."

Når forskerne skinner laseren ind i det uanstrengte gitter, spredes lyset jævnt ud i krystallen. I det anstrengte gitter bevæger lyset sig i stedet i cirkler, og lysets energispektrum ændres og danner diskrete bånd ligesom Landau-niveauer. I modsætning til Landau-niveauer i elektroner er energibåndene ikke flade. I stedet er de buede, hvilket forskerne sagde skyldes det buede mønster i den spændte krystal.

"Den buede karakter af båndene er kendt som dispersion," sagde Rechtsman. "For at forsøge at afbøde spredningen tilføjede vi en ekstra belastning til mønsteret. Denne tilføjede belastning, der fungerer som et pseudo-elektrisk potentiale, modvirker spredningen og giver os fladbåndede Landau-niveauer ligesom dem fra elektroner."

De flade bånd repræsenterer en koncentration af fotoner ved bestemte diskrete energier, hvilket giver en mulighed for at øge lysets interaktion med stof.

"Der er en masse applikationer, hvor øget interaktion mellem lys og stof kan forbedre deres funktion," sagde Rechtsman. "Når du har flade bånd, betyder det, at lyset bliver hængende ét sted i længere tid, hvilket betyder, at uanset hvad du forsøger at gøre med lyset, kan du gøre det mere effektivt. Lige nu kigger vi nærmere på om vi kan bruge dette design til mere effektive lasere på fotoniske chips."

Flere oplysninger: Maria Barsukova et al., Direkte observation af Landau-niveauer i fotoniske siliciumkrystaller, Nature Photonics (2024). DOI:10.1038/s41566-024-01425-y

Journaloplysninger: Naturfotonik

Leveret af Pennsylvania State University