Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology en het Institute of Photonic Sciences hebben een methode ontwikkeld om circulair gepolariseerd licht te genereren uit de ultieme symmetrische structuur:de bol. Hun aanpak omvat het doorbreken van de inherente symmetrie van de bol door elektronenstraalexcitatie, waarmee de fase en polarisatie van het uitgestraalde licht nauwkeurig kunnen worden geregeld. Deze methode kan worden gebruikt om informatie in de fase en polarisatierichting van circulair gepolariseerd licht te coderen, waardoor nieuwe kwantumcommunicatie- en encryptietechnologieën mogelijk worden.

Lichtgolven bezitten een eigenschap die polarisatie wordt genoemd en die een enorm potentieel heeft in communicatie- en informatietechnologieën. Deze eigenschap houdt verband met de oriëntatie van de oscillaties loodrecht op de voortplantingsrichting van de golf. De eenvoudigere typen polarisatie zijn statisch, bijvoorbeeld puur verticale of horizontale polarisatie. Echter, er is ook circulaire polarisatie, waarin de oriëntatie van de oscillatie continu roteert terwijl de golf zich voortplant.

Circulair gepolariseerd licht (CPL) is een belangrijk ingrediënt van technologieën van de volgende generatie, zoals kwantumcommunicatie en encryptie. CPL kan rechtshandige of linkshandige polarisatie hebben, afhankelijk van de richting waarin de oscillaties roteren. Deze "binaire" eigenschap van circulaire polarisatie kan worden gebruikt om informatie in licht op een robuuste manier te coderen; met andere woorden, het is onwaarschijnlijk dat een ontvanger rechtshandige CPL zou verwarren met linkshandige CPL. Dus, het ontwikkelen van emitters die CPL kunnen produceren, is een actief onderzoeksgebied.

Een nieuwe methode om CPL te produceren is het gebruik van tweedimensionale achirale structuren. Het woord "achiraal" is vergelijkbaar met "symmetrisch, " wat betekent dat het spiegelbeeld van een achirale structuur niet te onderscheiden is van het oorspronkelijke object. Maar hoe zendt een symmetrisch object licht uit met twee verschillende modi van circulaire polarisatie? Het antwoord is "externe symmetriebreking, waarbij gecontroleerde gelokaliseerde excitaties of speciaal ontworpen detectieschema's ervoor zorgen dat achirale structuren CPL produceren met de gewenste oriëntatie. In een recente studie gepubliceerd in ACS Nano , wetenschappers van Tokyo Tech, Japan en ICFO, Spanje, hebben een manier gevonden om CPL te genereren uit de ultieme symmetrische structuur:de bol.

Sferische nanodeeltjes werken als omnidirectionele antennes en, achiraal zijn, vereisen externe symmetriebreking om CPL te produceren. In hun nieuwe benadering het team van wetenschappers bestraalde een bolvormig nanodeeltje met elektronenstralen om een ​​fenomeen te veroorzaken dat bekend staat als 'kathodoluminescentie'. Dit proces, dat de basis vormt van televisieschermen uit de 20e eeuw, omvat hoogenergetische elektronen die op het materiaal botsen en meerdere lokale elektronen opwekken naar hogere energietoestanden, die vervolgens deze overtollige energie als fotonen uitzenden. Universitair hoofddocent Takumi Sannomiya, die de studie leidde, opmerkingen, "Het gebruik van elektronenstralen is een veelzijdige manier om nauwkeurige optische modi te stimuleren en biedt potentiële voordelen voor het on-demand genereren van CPL."

Echter, bij gebruik van een bol, een goed ontworpen excitatieschema is nodig om de gewenste symmetriebreking te bereiken. De wetenschappers stelden niet één, maar twee verschillende manieren om links- en rechtshandige CPL uit een bol te maken. De eerste manier omvat het manipuleren van de faseverschillen tussen twee elektrische dipolen die door een elektronenbundel in de bol worden geïnduceerd. De andere manier is gebruik te maken van de interferentie die wordt geproduceerd tussen magnetische en elektrische dipolen.

Om de CPL die wordt gegenereerd door hun bolvormige nanodeeltjes experimenteel te visualiseren, de wetenschappers ontwikkelden een polarimetrietechniek genaamd vierdimensionale STEM-CL, afkorting voor "scanning transmissie-elektronenmicroscopie-kathodoluminescentie." Opmerkelijk, de experimentele resultaten waren bijna perfect in lijn met de voorspellingen van rigoureuze theoretische analyses. Enthousiast over de resultaten, Sannomiya concludeert, "Onze aanpak heeft een groot potentieel voor de ontwikkeling van aanpasbare CPL-bronnen, waarbij de fase en mate van polarisatie van het geëmitteerde licht gemakkelijk kan worden gecontroleerd door positionering van de elektronenstraal." De veelzijdigheid van deze nieuwe methode zou van groot nut kunnen zijn om informatie over de fase en polarisatie van fotonen te coderen, waardoor nieuwe communicatie- en encryptiemethoden mogelijk worden.