(a/c) Både venstre- og højrehåndet CPL genereres af faseforskellen mellem to vinkelrette elektriske dipoler, ophidset af elektronstrålens påvirkning. (b/d) Venstre- og højrehåndet CPL udsendes i forskellige vinkler på grund af interferensen mellem elektriske dipoler og en magnetisk dipol. Kredit:ACS Nano
Forskere ved Tokyo Institute of Technology og Institute of Photonic Sciences har udviklet en metode til at generere cirkulært polariseret lys fra den ultimative symmetriske struktur:kuglen. Deres tilgang involverer at bryde kuglens iboende symmetri ved elektronstråleexcitation, som giver mulighed for præcis styring af fase og polarisering af det udsendte lys. Denne metode kan bruges til at kode information i fase- og polarisationsretningen af cirkulært polariseret lys, muliggør nye kvantekommunikations- og krypteringsteknologier.
Lysbølger har en egenskab kaldet polarisering, der har et enormt potentiale inden for kommunikations- og informationsteknologier. Denne egenskab er relateret til orienteringen af oscillationerne vinkelret på bølgens udbredelsesretning. De mere simple typer af polarisering er statiske - f.eks. ren lodret eller vandret polarisering. Imidlertid, der er også cirkulær polarisering, hvor orienteringen af oscillationen kontinuerligt roterer, mens bølgen udbreder sig.
Cirkulært polariseret lys (CPL) er en nøgleingrediens i næste generations teknologier såsom kvantekommunikation og kryptering. CPL kan have højrehåndet eller venstrehåndet polarisering afhængigt af retningen, som svingningerne roterer i. Denne "binære" karakteristik af cirkulær polarisering kan bruges til at indkode information i lys på en robust måde; med andre ord, det er usandsynligt, at en modtager vil forveksle højrehånds CPL med venstrehånds CPL. Dermed, udvikling af emittere, der er i stand til at producere CPL, er et aktivt forskningsfelt.
En ny metode til at producere CPL er at bruge todimensionelle akirale strukturer. Ordet "achiral" ligner "symmetrisk, " hvilket betyder, at spejlbilledet af en achiral struktur ikke kan skelnes fra det originale objekt. Men hvordan udsender et symmetrisk objekt lys med to forskellige cirkulære polariseringstilstande? Svaret er "ydre symmetribrud, " hvorved kontrollerede lokaliserede excitationer eller specialdesignede detektionsskemaer får akirale strukturer til at producere CPL med den ønskede orientering. I en nylig undersøgelse offentliggjort i ACS Nano , forskere ved Tokyo Tech, Japan og ICFO, Spanien, har fundet en måde at generere CPL fra den ultimative symmetriske struktur - sfæren.
Sfæriske nanopartikler fungerer som rundstrålende antenner og, at være akiral, kræver ekstern symmetribrud for at producere CPL. I deres nye tilgang, holdet af videnskabsmænd bestrålede en sfærisk nanopartikel med elektronstråler for at udløse et fænomen kendt som "katodoluminescens." denne proces, som er grundlaget for det 20. århundredes tv-skærme, involverer højenergielektroner, der rammer materialet og excellerer flere lokale elektroner til højere energitilstande, som så udsender denne overskydende energi som fotoner. Lektor Takumi Sannomiya, hvem ledede undersøgelsen, bemærkninger, "Brugen af elektronstråler er en alsidig måde at spændende præcise optiske tilstande og præsenterer potentielle fordele for on-demand-generering af CPL."
Imidlertid, når du bruger en kugle, et korrekt designet excitationsskema er nødvendigt for at opnå den ønskede symmetribrud. Forskerne foreslog ikke én, men to forskellige måder at producere venstre- og højrehåndet CPL fra en kugle. Den første måde involverer at manipulere faseforskellene mellem to elektriske dipoler induceret i kuglen af en elektronstråle. Den anden måde er at udnytte interferensen mellem magnetiske og elektriske dipoler.
For eksperimentelt at visualisere CPL genereret af deres sfæriske nanopartikler, forskerne udviklede en polarimetriteknik kaldet firedimensionel STEM-CL, forkortelse for "scanning transmission elektronmikroskopi-katodoluminescens." Især de eksperimentelle resultater var næsten helt i overensstemmelse med forudsigelserne fra strenge teoretiske analyser. Spændt på resultaterne, Sannomiya konkluderer, "Vores tilgang rummer et stort potentiale for udvikling af tilpassede CPL-kilder, hvorved fasen og graden af polarisering af det udsendte lys let kan kontrolleres gennem positionering af elektronstrålen." Alsidigheden af denne nye metode kunne være til stor nytte til at indkode information om fasen og polariseringen af fotoner, muliggør nye kommunikations- og krypteringsmetoder.