Wetenschap
Licht een magnetisch veld laten voelen zoals een elektron dat zou doen
In tegenstelling tot elektronen zijn lichtdeeltjes ongeladen en reageren ze dus niet op magnetische velden. Desondanks hebben onderzoekers er nu experimenteel voor gezorgd dat licht effectief een magnetisch veld ‘voelt’ binnen een ingewikkelde structuur, een fotonisch kristal genaamd, dat is gemaakt van silicium en glas.
Binnen het kristal draait het licht in cirkels en de onderzoekers hebben voor het eerst waargenomen dat het discrete energiebanden vormt, de zogenaamde Landau-niveaus, die parallel lopen aan een bekend fenomeen dat bij elektronen wordt waargenomen.
Deze bevinding zou kunnen wijzen op nieuwe manieren om de interactie van licht met materie te vergroten, een vooruitgang die het potentieel heeft om fotonische technologieën, zoals zeer kleine lasers, te verbeteren.
Dit werk, geleid door onderzoekers van Penn State, was gebaseerd op een eerdere theoretische voorspelling van teamleden Penn State hoogleraar natuurkunde Mikael Rechtsman, Penn State afgestudeerde student Jonathan Guglielmon en wiskundige Michael Weinstein van Columbia University.
Een artikel waarin de experimenten worden beschreven, werd op 23 april gepubliceerd in het tijdschrift Nature Photonics naast een ander artikel van een aparte groep onderzoekers in Nederland, onder leiding van Ewold Verhagen, die onafhankelijk hetzelfde fenomeen observeerde.
"Voor geladen deeltjes zoals elektronen is er veel interessante natuurkunde die voortvloeit uit hun interacties met magnetische velden", zegt Rechtsman, de leider van het onderzoeksteam. "Hierdoor is er interesse ontstaan in het emuleren van deze fysica voor fotonen, die niet geladen zijn en dus niet reageren op magnetische velden."
Wanneer elektronen die zich op een tweedimensionaal oppervlak bevinden, worden blootgesteld aan een sterk magnetisch veld, bewegen ze zich in cirkelvormige of 'cyclotron'-banen. De beweging van deze banen wordt gekwantiseerd:de elektronen worden beperkt tot bepaalde discrete energieën, die Landau-niveaus worden genoemd.
"Landau-niveaus lijken een beetje op de energieniveaus van elektronenorbitalen rond de kern van een atoom", zei Rechtsman. ‘In een atoom zijn de energieniveaus het resultaat van de aantrekking van negatief geladen elektronen naar de positief geladen kern, terwijl de Landau-niveaus het gevolg zijn van de interactie van de elektronen met een magnetisch veld. We hebben een methode gebruikt om een magnetisch veld te emuleren – een pseudomagnetisch veld genoemd. veld – voor licht door de structuur van een fotonisch kristal nauwkeurig te manipuleren."
Het onderzoeksteam creëert deze kristallen in kleine stukjes silicium, vergelijkbaar met wat wordt gebruikt om computerchips te maken, in het Nanofabrication Laboratory van het Materials Research Institute in Penn State. Ze creëren een honingraatachtig rooster van gaten in de siliciumplaat, die slechts 1/1000ste van de dikte van een mensenhaar bedraagt.
De onderzoekers schijnen laserlicht in de kristalhoudende plaat, en het roosterpatroon zorgt ervoor dat een deel van het licht rondkaatst in het kristal. Het team kan vervolgens het spectrum van het licht meten wanneer het het kristal verlaat. Om de effecten van een magnetisch veld na te bootsen, voegen de onderzoekers een ‘spanning’ toe aan het patroon van het rooster.
"Voor het ongespannen rooster hebben we een honingraatstructuur vervaardigd uit driehoekige gaten op nanoschaal die zich in een tweedimensionaal patroon door de ruimte herhalen", legt Rechtsman uit. "Om de spanning te vergroten, hebben we nog een plaat gemaakt, maar het patroon vervormd. Het nieuwe patroon ziet eruit alsof we de twee zijkanten omhoog hebben getrokken, terwijl we de onderkant naar beneden hebben getrokken."
Wanneer de onderzoekers de laser in het ongespannen rooster laten schijnen, verspreidt het licht zich gelijkmatig in het kristal. In het gespannen rooster beweegt het licht in plaats daarvan in cirkels en verandert het energiespectrum van het licht, waardoor discrete banden worden gevormd, net als Landau-niveaus. In tegenstelling tot de Landau-niveaus in elektronen zijn de energiebanden niet vlak. In plaats daarvan zijn ze gebogen, wat volgens de onderzoekers het resultaat is van het gebogen patroon in het gespannen kristal.
"De gebogen aard van de banden staat bekend als dispersie", zei Rechtsman. "Om te proberen de spreiding te verzachten, hebben we een extra spanning aan het patroon toegevoegd. Deze extra spanning, die fungeert als een pseudo-elektrische potentiaal, gaat de spreiding tegen, waardoor we vlakbandige Landau-niveaus krijgen, net als die van elektronen." P>
De platte banden vertegenwoordigen een concentratie van fotonen bij bepaalde afzonderlijke energieën, waardoor de interactie van licht met materie kan worden vergroot.
"Er zijn een heleboel toepassingen waarbij het vergroten van de interactie tussen licht en materie hun functie kan verbeteren", zei Rechtsman. "Als je platte banden hebt, betekent dit dat het licht langer op één plek blijft hangen, wat betekent dat wat je ook met het licht probeert te doen, je het efficiënter kunt doen. Op dit moment onderzoeken we of of we dit ontwerp kunnen gebruiken voor efficiëntere lasers op fotonische chips."