Wetenschappers hebben een elegante manier ontdekt om licht te manipuleren met behulp van een 'synthetische' Lorentz-kracht - die in de natuur verantwoordelijk is voor vele fascinerende verschijnselen, waaronder de Aurora Borealis.

Een team van theoretische natuurkundigen van de Universiteit van Exeter heeft een nieuwe techniek ontwikkeld om afstembare kunstmatige magnetische velden te creëren. waarmee fotonen de dynamiek van geladen deeltjes in echte magnetische velden kunnen nabootsen.

Het team gelooft dat het nieuwe onderzoek, gepubliceerd in toonaangevend tijdschrift Natuurfotonica , zou belangrijke implicaties kunnen hebben voor toekomstige fotonische apparaten, omdat het een nieuwe manier biedt om licht onder de diffractielimiet te manipuleren.

Wanneer geladen deeltjes, zoals elektronen, door een magnetisch veld gaan, voelen ze een Lorentzkracht vanwege hun elektrische lading, die hun baan rond de magnetische veldlijnen kromt.

Deze Lorentzkracht is verantwoordelijk voor vele fascinerende fenomenen, variërend van het prachtige noorderlicht, tot het beroemde kwantum-Hall-effect waarvan de ontdekking de Nobelprijs kreeg.

Echter, omdat fotonen geen elektrische lading dragen, ze kunnen niet rechtstreeks worden bestuurd met behulp van echte magnetische velden, omdat ze geen Lorentz-kracht ervaren; een ernstige beperking die wordt gedicteerd door de fundamentele wetten van de fysica.

Het onderzoeksteam heeft aangetoond dat het mogelijk is om kunstmatige magnetische velden voor licht te creëren door honingraatmeta-oppervlakken te vervormen - ultradunne 2D-oppervlakken die zijn ontworpen om structuur te hebben op een schaal die veel kleiner is dan de golflengte van licht.

Het team van Exeter werd tien jaar geleden geïnspireerd door een opmerkelijke ontdekking, waar werd aangetoond dat elektronen die zich voortplanten door een gespannen grafeenmembraan zich gedragen alsof ze worden blootgesteld aan een groot magnetisch veld.

Het grote nadeel van deze benadering van spanningstechniek is dat om het kunstmatige magnetische veld af te stemmen, men het spanningspatroon met precisie moet wijzigen, wat zeer uitdagend is, zo niet onmogelijk, met fotonische structuren te maken hebben.

De natuurkundigen van Exeter hebben een elegante oplossing voorgesteld om dit fundamentele gebrek aan afstembaarheid te verhelpen.

Charlie Ray Mann, de hoofdwetenschapper en auteur van de studie, legt uit:"Deze meta-oppervlakken, ondersteuning van hybride licht-materie-excitaties, polaritonen genoemd, die op het metaoppervlak vastzitten.

"Ze worden dan afgebogen door de vervormingen in het meta-oppervlak op dezelfde manier als hoe magnetische velden geladen deeltjes afbuigen.

"Door gebruik te maken van de hybride aard van de polaritonen, we laten zien dat je het kunstmatige magnetische veld kunt afstemmen door de echte elektromagnetische omgeving rond het meta-oppervlak te wijzigen."

Voor de studie, de onderzoekers hebben het meta-oppervlak ingebed tussen twee spiegels - bekend als een fotonische holte - en laten zien dat men het kunstmatige magnetische veld kan afstemmen door alleen de breedte van de fotonische holte te veranderen, waardoor de noodzaak om de vervorming in het meta-oppervlak te wijzigen, wordt weggenomen.

Charlie voegde toe:"We hebben zelfs aangetoond dat je het kunstmatige magnetische veld volledig kunt uitschakelen bij een kritische holtebreedte, zonder de vervorming in het meta-oppervlak te hoeven verwijderen, iets dat onmogelijk is in grafeen of een systeem dat grafeen emuleert.

"Met behulp van dit mechanisme kun je de baan van de polaritonen buigen met behulp van een afstembare Lorentz-achtige kracht en ook Landau-kwantisatie van de polariton-cyclotronbanen observeren, in directe analogie met wat er gebeurt met geladen deeltjes in echte magnetische velden.

"Bovendien, we hebben aangetoond dat je het polariton Landau-niveauspectrum drastisch kunt herconfigureren door simpelweg de holtebreedte te veranderen."

Dr. Eros Mariani, de hoofdbegeleider van de studie, zei:"In staat zijn om fenomenen na te bootsen met fotonen waarvan gewoonlijk wordt gedacht dat ze exclusief zijn voor geladen deeltjes, is vanuit een fundamenteel oogpunt fascinerend, maar het kan ook belangrijke implicaties hebben voor fotonica-toepassingen.

"We zijn verheugd om te zien waar deze ontdekking toe leidt, omdat het veel intrigerende vragen oproept die op veel verschillende experimentele platforms in het elektromagnetische spectrum kunnen worden onderzocht."