Nanopartikler bryder lysets symmetri

Hvordan kan en lysstråle se forskellen mellem venstre og højre? På Vienna University of Technology (TU Wien) er små partikler blevet koblet til en glasfiber. Partiklerne udsender lys i fiberen på en sådan måde, at den ikke bevæger sig i begge retninger, som man ville forvente. I stedet, lyset kan rettes enten til venstre eller til højre. Dette er blevet muligt ved at anvende en bemærkelsesværdig fysisk effekt-spin-kredsløbskoblingen af ​​lys. Denne nye form for optisk switch har potentiale til at revolutionere nanofotonik.

Forskerne har nu offentliggjort deres arbejde i tidsskriftet Videnskab .

Guldnanopartikler på glasfibre

Når en partikel absorberer og udsender lys, dette lys udsendes ikke bare i en retning. "En partikel i det frie rum vil altid udsende lige så meget lys i en bestemt retning, som den udsender i den modsatte retning", siger professor Arno Rauschenbeutel (TU Wien). Hans team er nu lykkedes at bryde denne symmetri af emission ved hjælp af guldnanopartikler koblet til ultratynde glasfibre. Det indfaldende laserlys bestemmer, om lyset, der udsendes af partiklen, bevæger sig til venstre eller højre i glasfiberen.

Cykler og flypropeller

Dette er kun muligt, fordi lyset har en iboende vinkelmoment, centrifugeringen. Ligner et pendul, der kan svinge i et bestemt plan eller bevæge sig i cirkler, en lysbølge kan have forskellige svingningsretninger. Hvis den har en veldefineret vibrationsretning, det kaldes en "polariseret bølge". "En simpel planbølge har den samme polarisering overalt", siger Arno Rauschenbeutel, "men når lysets intensitet ændres lokalt, polarisationen ændrer sig også. "

Som regel, lyset svinger i et plan vinkelret på dens udbredelsesretning. Hvis svingningen er cirkulær, dette ligner bevægelsen fra en flypropel. Dens rotationsakse - svarende til centrifugeringen - peger i udbredelsesretningen. Men lys, der bevæger sig gennem ultratynde glasfibre, har meget særlige egenskaber. Dens intensitet er meget høj inde i glasfiber, men det falder hurtigt uden for fiberen. "Dette fører til en yderligere feltkomponent i glasfiberens retning", siger Arno Rauschenbeutel. Lysbølgens rotationsplan svinger 90 grader. "Derefter, formeringsretningen er vinkelret på spinet, ligesom en cykel, bevæger sig i en retning, der er vinkelret på akserne på hjulene. "

Ved at kontrollere hjulenes rotationsretning-med eller mod uret-kan vi se, om en cykel bevæger sig til højre eller venstre, når man ser den fra siden. Det er nøjagtig det samme med lysstrålerne i den ultratynde glasfiber. Sansens rotation af lysfeltet er koblet til bevægelsesretningen. Denne form for kobling er en direkte konsekvens af glasfibergeometrien og love for elektrodynamik. Effekten kaldes "spin-orbit-coupling of light".

Koblingsrotation og bevægelsesretning

Når en partikel, der er koblet til glasfiberen, bestråles med en laser på en sådan måde, at den udsender lys med en særlig følelse af rotation, det udsendte lys vil således forplante sig til kun en bestemt retning inde i glasfiberen - enten til venstre eller til højre. Denne effekt er nu påvist ved hjælp af en enkelt guld nanopartikel på en glasfiber. Fiberen er 250 gange tyndere end et menneskehår; guldpartikelens diameter er endda fire gange mindre. Både fiberens og partikelens diameter er endnu mindre end bølgelængden af ​​det udsendte lys.

"Denne nye teknologi bør let gøres tilgængelig i kommercielle applikationer. Allerede nu, hele forsøget passer ind i en skokasse ", siger Arno Rauschenbeutel. "Metoden kan anvendes på integrerede optiske kredsløb. Sådanne systemer kan en dag erstatte de elektroniske kredsløb, vi bruger i dag."