Een ultracompacte circulair gepolariseerde lichtbron is een cruciaal onderdeel voor de toepassingen van klassieke en kwantumoptische informatieverwerking. De ontwikkeling van dit veld is afhankelijk van de vooruitgang van twee velden:kwantummaterialen en chirale optische holtes. Conventionele benaderingen voor circulair gepolariseerde fotoluminescentie hebben last van onsamenhangende breedbandemissie, beperkte DOP en grote stralingshoeken. Hun praktische toepassingen worden beperkt door lage efficiëntie en energieverspilling tot ongewenste handigheid en emissierichtingen. De chirale microlasers kunnen grote DOP's en directionele output hebben, maar alleen in specifieke vermogensbereiken. Het belangrijkste is dat hun prestaties onder de drempel aanzienlijk dalen. Tot nu toe is de strategie voor gelijktijdige controle van chirale spontane emissie en chirale lasering nog steeds afwezig.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Science , gebruiken onderzoekers van het Harbin Institute of Technology en de Australian National University de fysica van chirale quasi-gebonden toestanden in het continuüm (BIC's) en demonstreren ze de efficiënte en controleerbare emissie van circulair gepolariseerd licht van resonerende meta-oppervlakken.

BIC's met een integere topologische lading in de impulsruimte en een theoretisch oneindige Q-factor zijn onderzocht voor vele toepassingen, waaronder niet-lineaire optica en laserstraling. Door asymmetrie in het vlak te introduceren, worden BIC's quasi-BIC's met eindige maar nog steeds hoge Q-factoren. Interessant is dat de integer-topologische lading van de BIC-modus zou worden gesplitst in twee half-gehele ladingen, die symmetrisch verdeeld zijn in de momentumruimte en overeenkomen met links- en rechtshandige circulaire polarisatietoestanden, ook bekend als C-punten.

Op de C-punten kan invallend licht met één circulaire polarisatietoestand worden gekoppeld aan de nanostructuren en sterk verbeterde lokale elektromagnetische velden produceren. De andere polarisatietoestand is ontkoppeld en zendt bijna perfect uit. Dergelijke kenmerken zijn algemeen bekend, maar worden zelden toegepast op lichtemissies. "Dit komt vooral omdat de C-punten meestal afwijken van de onderkant van de band. Ze hebben een relatief lage Q-factor en kunnen niet opgewonden raken voor laseracties", zegt Zhang.

Om de chirale lichtemissie te realiseren, is een belangrijke stap het combineren van de lokale dichtheid van toestanden met de intrinsieke chiraliteit op C-punten. Als één C-punt naar de onderkant van de band wordt verschoven, kan de Q-factor van de overeenkomstige chirale quasi-BIC maximaal zijn. Volgens de gouden regel van Fermi wordt de stralingssnelheid van de ene circulair gepolariseerde spontane emissie verhoogd, terwijl de andere polarisatie wordt geremd. Zowel de Q-factor als de stralingssnelheid neemt drastisch af met de emissiehoek. Dientengevolge kan nabij het Γ-punt een zeer zuivere en sterk gerichte lichtemissie worden verwacht.

"Natuurlijk kan het andere C-punt een vergelijkbare hoge chiraliteit ondersteunen met tegengestelde handigheid. Dat punt wijkt echter ook af van de maximale Q-factor en wordt minder verbeterd. Daarom produceert ons meta-oppervlak slechts één circulaire polarisatie van bijna één met hoge richtingsgevoeligheid rond de normaal richting", zegt Zhang.

De controle van C-punten in de impulsruimte hangt nauw samen met de maximalisatie van chiraliteit in normale richting. In principe heeft de realisatie van chiraliteit betrekking op het gelijktijdig breken van spiegelreflectiesymmetrieën in het vlak en buiten het vlak. In dit onderzoek heeft het team een ​​out-of-plane asymmetrie geïntroduceerd, de kanteling van nanostructuren. Voor een asymmetrie in het vlak is er één asymmetrie buiten het vlak die één C-punt naar Γ punt kan verplaatsen. "We vinden dat twee soorten asymmetrieën lineair van elkaar afhankelijk zijn. Dit maakt de optimalisatie van chiraliteit in normale richting heel eenvoudig", zegt Zhang.

In experimenten hebben de onderzoekers de meta-oppervlakken gefabriceerd met een eenstaps schuin reactief ionen-etsproces en de emissies gekarakteriseerd. Onder de excitatie van een nanoseconde-laser hebben ze met succes de chirale emissies aangetoond met een DOP van 0,98 en een divergente verre veldhoek van 1,06 graden. "Onze cirkelvormige lichtbron wordt gerealiseerd met de controle van het C-punt in de impulsruimte en de lokale toestandsdichtheid. Het is onafhankelijk van het excitatievermogen", zegt Zhang. "Dit is de reden dat we de hoge Q, hoge directionaliteit en zeer zuivere circulaire polarisatie-emissie kunnen bereiken van spontane emissie tot laseren."

Vergeleken met conventionele benaderingen biedt de chirale quasi-BIC een manier om gelijktijdig spectra, stralingspatronen en spin-impulsmoment van fotoluminescentie en laseren te wijzigen en te controleren zonder enige spin-injectie. Deze benadering kan het ontwerp van huidige bronnen van chiraal licht verbeteren en hun toepassingen in fotonische en kwantumsystemen stimuleren. + Verder verkennen

De robuustheid van gebonden toestanden in het continuüm verbeteren met hogere topologische ladingen