Om het Kerker-effect te laten optreden, deeltjes moeten elektrische en magnetische polariseerbaarheid hebben van dezelfde sterkte. Dit, echter, is zeer uitdagend om te bereiken, aangezien magnetische optische resonanties in kleine deeltjes relatief zwak zijn. Onderzoekers van het Ioffe Instituut, in Sint-Petersburg, hebben onlangs aangetoond dat een soortgelijk effect kan worden bereikt wanneer kleine deeltjes in de ruimte trillen.

"Hoewel de lichtverstrooiing al meer dan een eeuw wordt begrepen na de werken van Rayleigh, Raman, Landsberg en Mandelstam, het blijft zowel een fundamentele als toegepaste uitdaging om op nanoschaal verstrooid licht naar believen in de gewenste richting te leiden, "Alexander Poshakinskiy, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Het vermogen om de richting te controleren, frequentie en polarisatie van het verstrooide licht is essentieel voor de werking van optische circuits."

Apparaten die de richting van verstrooid licht kunnen regelen, kunnen tal van nuttige toepassingen hebben, in het bijzonder voor de bediening van antennes en routering van licht. In 1980, onderzoekers theoretiseerden dat een gerichte verstrooiing van licht kan worden bereikt via het zogenaamde Kerker-effect. Dit effect maakt in wezen gebruik van de interferentie van elektrische en magnetische dipoolemissiepatronen, die een verschillende ruimtelijke pariteit hebben, waardoor de onderdrukking van voorwaartse of achterwaartse verstrooiing wanneer ze worden gesuperponeerd.

"Realisatie van het conventionele Kerker-effect vereist dat de deeltjes elektrische en magnetische polariseerbaarheid hebben van dezelfde sterkte, " zei Poshakinskiy. "Echter, dit is een uitdaging omdat de magnetische respons bij optische frequenties extreem zwak is. Een mogelijke oplossing is om grote nanodeeltjes van submicronformaat te gebruiken die zowel elektrische als magnetische Mie-resonanties hosten. Echter, optisch Kerker-effect voor de deeltjes kleiner dan de golflengte in het medium is nog steeds niet haalbaar. In ons werk, laten we zien dat zelfs kleine deeltjes, die in rust geen magnetische respons hebben, verwerven het wanneer ze in de ruimte beginnen te trillen, waardoor de realisatie van wat we optomechanisch Kerker-effect noemen."

In het optomechanische Kerker-effect, voorgesteld door Poshakinskiy en zijn collega Alexander Poddubny, de afstembare directionele verstrooiing van licht wordt bereikt voor een deeltje dat magnetische resonanties mist als het in de ruimte trilt. De trillende beweging van de elektrische dipool in de ruimte leidt tot het verschijnen van een magnetische dipool, zoals je zou verwachten van de Lorentz-transformatie.

"We laten zien dat magnetische en elektrische dipool, geïnduceerd in het trillende deeltje door invallend licht, contra-intuïtief van dezelfde orde zijn als inelastische verstrooiing wordt beschouwd, " legde Poshakinskiy uit. "Het faseverschil tussen de elektrische en magnetische dipolen wordt bepaald door de frequentie-afhankelijkheid van de permittiviteit van het deeltje. Voor een resonerend deeltje, dit maakt controle over de verstrooiingsrichting mogelijk via de ontstemming van de lichtfrequentie van de resonantie:het licht wordt bij resonantie bij voorkeur naar voren verstrooid en achteruit er vanaf. "

De onderzoekers laten zien dat in het optomechanische Kerker-effect, het cijfer van verdienste dat kwantificeert hoeveel van het licht in een bepaalde richting wordt verstrooid in vergelijking met alle andere richtingen (d.w.z. gerichtheid), kan oplopen tot 5,25. Dit overtreft de gerichtheid van 3 die wordt bereikt in het klassieke Kerker-effect, vanwege het extra elektrische quadrupoolmoment dat wordt veroorzaakt door de mechanische beweging.

In hun studie hebben Poshakinskiy en Poddubny introduceerden ook een tweede effect, die ze 'het optomechanische spin-Hall-effect' noemen. Bij deze uitwerking een directionele inelastische verstrooiing van licht, afhankelijk van de circulaire polarisatie, wordt gerealiseerd voor een klein trillend deeltje.

"Het optomechanische spin-Hall-effect kan worden bereikt wanneer een deeltje rond een cirkelvormige baan trilt in plaats van een rechte lijn, " zei Poshakinskiy. "We laten zien dat het mechanische impulsmoment van het deeltje kan worden overgedragen op de spin van licht. Dan bereiken de elektromagnetische golven die door het trillende deeltje naar links en naar rechts worden verstrooid, tegengestelde circulaire polarisatie."

De bevindingen verzameld door Poshakinskiy en Poddubny suggereren dat de interactie tussen licht en mechanische beweging een intrinsiek multipolair karakter heeft. Deze kwaliteit kan worden benut in verschillende systemen, variërend van koude atomen tot tweedimensionale materialen en supergeleidende qubits.

"Wij geloven dat de voorgestelde optomechanische Kerker een nieuw multidisciplinair veld opent door te ontdekken, Voor de eerste keer, voor zover we weten, een hoogst ongebruikelijk verband tussen optomechanica en nanofotonica, " zei Poshakinskiy. "Vanuit een praktisch oogpunt, de voorgestelde effecten kunnen worden gebruikt om niet-wederkerige optische apparaten op nanoschaal te ontwerpen."

optische niet-wederkerigheid, wat betekent dat licht op een verschillende manier vooruit en achteruit door een optisch circuit wordt verzonden, is cruciaal voor optische signaalverwerking. De meeste bestaande niet-wederkerige optomechanische apparaten zijn gebaseerd op optische resonatoren, die hun minimale grootte beperken tot submicrons. De resultaten verzameld door Poshakinskiy en Poddubny laten zien dat afstembare optomechanische niet-wederkerigheid ook op nanoschaal kan optreden bij gebruik van kleine trillende deeltjes met resonante polariseerbaarheid.

"Optische niet-wederkerigheid is ook een belangrijk ingrediënt voor het ontwerp van fotonische topologische circuits, " voegde Poshakinskiy eraan toe. "In een reeks trillende deeltjes, men kan een wanorde-robuuste verspreiding van licht en geluid verwachten, verzekerd door de tijdmodulatie van optische en mechanische eigenschappen."

De studie uitgevoerd door Poshakinskiy en Poddubny laat zien hoe de afstembare directionele verstrooiing van licht kan worden bereikt op nanoschaal, introductie van de optomechanische Kerker- en spin-Hall-effecten. In de toekomst, hun bevindingen kunnen verschillende interessante toepassingen hebben, bijvoorbeeld, het informeren van het ontwerp van niet-reciproke topologische circuits. De onderzoekers zijn nu van plan om het optomechanische Kerker-effect aan te tonen in laboratoriumexperimenten.

"Het proof of concept zou observatie zijn van de directionele terugverstrooiing door trillende objecten, die zelfs buiten materiële resonanties kan worden gerealiseerd, " Poshakinskiy zei:"Wij geloven dat dit in verschillende systemen kan worden gedaan, bijv. halfgeleider kwantumpunten, overgangsmetaal dichalcogeniden of grafeen. Echter, het belangrijkste kenmerk van het optomechanische Kerker-effect is de mogelijkheid om de richting van verstrooiing te wisselen tussen voorwaarts en achterwaarts. Dit vereist deeltjes met extreem scherpe resonanties in hun elektromagnetische respons. Onze schattingen laten zien dat een dergelijke schakeling kan worden gerealiseerd voor koude atomen in optische vallen of supergeleidende qubits in radiofrequentiecircuits."

© 2019 Wetenschap X Netwerk