Hoe kan een lichtstraal het verschil zien tussen links en rechts? Aan de Technische Universiteit Wenen (TU Wien) zijn minuscule deeltjes gekoppeld aan een glasvezel. De deeltjes zenden licht zo de vezel in dat het niet in beide richtingen beweegt, zoals men zou verwachten. In plaats daarvan, het licht kan zowel naar links als naar rechts worden gericht. Dit is mogelijk geworden door gebruik te maken van een opmerkelijk fysiek effect:de spin-baankoppeling van licht. Dit nieuwe soort optische schakelaar heeft het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in de nanofotonica.

De onderzoekers hebben hun werk nu gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .

Gouden nanodeeltjes op glasvezels

Wanneer een deeltje licht absorbeert en uitstraalt, dit licht wordt niet slechts in één richting uitgestraald. "Een deeltje in de vrije ruimte zal altijd evenveel licht in een bepaalde richting uitstralen als in de tegenovergestelde richting", zegt professor Arno Rauschenbeutel (TU Wien). Zijn team is er nu in geslaagd deze symmetrie van emissie te doorbreken met behulp van gouden nanodeeltjes gekoppeld aan ultradunne glasvezels. Het invallende laserlicht bepaalt of het door het deeltje uitgezonden licht naar links of rechts in de glasvezel gaat.

Fietsen en vliegtuigpropellers

Dit is alleen mogelijk omdat licht een intrinsiek impulsmoment heeft, de spin. Vergelijkbaar met een slinger die in een bepaald vlak kan zwaaien of in cirkels kan bewegen, een lichtgolf kan verschillende oscillatierichtingen hebben. Als het een goed gedefinieerde trillingsrichting heeft, het wordt een "gepolariseerde golf" genoemd. "Een simpele vlakke golf heeft overal dezelfde polarisatie", zegt Arno Rauschenbeutel, "maar wanneer de intensiteit van het licht plaatselijk verandert, de polarisatie verandert ook."

Gebruikelijk, het licht oscilleert in een vlak loodrecht op zijn voortplantingsrichting. Als de oscillatie cirkelvormig is, dit is vergelijkbaar met de beweging van een vliegtuigpropeller. Zijn rotatie-as - die overeenkomt met de spin - wijst in de voortplantingsrichting. Maar licht dat door ultradunne glasvezels beweegt, heeft heel bijzondere eigenschappen. De intensiteit is zeer hoog in de glasvezel, maar buiten de vezel neemt het snel af. "Dit leidt tot een extra veldcomponent in de richting van de glasvezel", zegt Arno Rauschenbeutel. Het draaivlak van de lichtgolf draait 90 graden. "Vervolgens, de voortplantingsrichting staat loodrecht op de spin, net als een fiets, bewegen in een richting die loodrecht staat op de assen van de wielen."

Door de draairichting van de wielen te controleren - met de klok mee of tegen de klok in - kunnen we zien of een fiets van opzij naar rechts of naar links beweegt. Het is precies hetzelfde met de lichtbundels in het ultradunne glasvezel. De draairichting van het lichtveld is gekoppeld aan de bewegingsrichting. Dit soort koppeling is een direct gevolg van de glasvezelgeometrie en de wetten van de elektrodynamica. Het effect wordt "spin-orbit-koppeling van licht" genoemd.

Koppelingsrotatie en bewegingsrichting

Wanneer een deeltje dat aan de glasvezel is gekoppeld, zodanig wordt bestraald met een laser dat het licht met een bepaalde draairichting uitstraalt, het uitgestraalde licht zal zich dus in slechts één bepaalde richting binnen de glasvezel voortplanten - naar links of naar rechts. Dit effect is nu aangetoond met een enkel gouden nanodeeltje op een glasvezel. De vezel is 250 keer dunner dan een mensenhaar; de diameter van het gouddeeltje is zelfs vier keer kleiner. Zowel de diameter van de vezel als het deeltje is zelfs kleiner dan de golflengte van het uitgezonden licht.

"Deze nieuwe technologie moet gemakkelijk beschikbaar worden gemaakt in commerciële toepassingen. Nu al, het hele experiment past in een schoenendoos", zegt Arno Rauschenbeutel. "De methode zou kunnen worden toegepast op geïntegreerde optische schakelingen. Dergelijke systemen kunnen op een dag de elektronische schakelingen vervangen die we vandaag gebruiken."