För att Kerker -effekten ska ske partiklar måste ha elektriska och magnetiska polariserbarheter med samma styrka. Detta, dock, är mycket utmanande att uppnå, eftersom magnetiska optiska resonanser i små partiklar är relativt svaga. Forskare vid Ioffe Institute, i Sankt Petersburg, har nyligen visat att en liknande effekt kan uppnås när små partiklar darrar i rymden.

"Även om ljusspridningen har förståtts i mer än ett sekel efter Rayleighs verk, Raman, Landsberg och Mandelstam, det förblir både en grundläggande och tillämpad utmaning att leda ljus spridda på nanoskala i riktningen efter behag, "Alexander Poshakinskiy, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Möjligheten att styra riktningen, frekvens och polarisering av det spridda ljuset är avgörande för drift av optiska kretsar. "

Enheter som kan styra riktningen för spritt ljus kan ha många användbara applikationer, speciellt för drift av antenner och dirigering av ljus. På 1980 -talet, forskare teoretiserade att en riktad spridning av ljus kan uppnås via den så kallade Kerker-effekten. Denna effekt utnyttjar i huvudsak störningen av elektriska och magnetiska dipolemissionsmönster, som har olika rumslig paritet, vilket ger undertryckande av spridning framåt eller bakåt när de är överlagrade.

"Förverkligandet av den konventionella Kerker -effekten kräver att partiklarna har elektriska och magnetiska polariserbarheter med samma styrka, "Poshakinskiy sa." Men detta är utmanande eftersom magnetiskt svar vid optiska frekvenser är extremt svagt. En möjlig lösning är att använda stora nanopartiklar i submikronstorlek som är värd för både elektriska och magnetiska Mie-resonanser. Dock, optisk Kerker -effekt för partiklarna som är mindre än våglängden i mediet är fortfarande omöjlig. I vårt arbete, vi visar att även små partiklar, som saknar magnetiskt svar i vila, får det när de börjar darra i rymden, möjliggör förverkligande av det vi kallar optomekanisk Kerker -effekt. "

I den optomekaniska Kerker -effekten, föreslagen av Poshakinskiy och hans kollega Alexander Poddubny, den avstämbara riktningsspridningen av ljus uppnås för en partikel som saknar magnetresonanser när den darrar i rymden. Den elektriska dipolens darrande rörelse i rymden leder till att en magnetisk dipol ser ut, som man kunde förvänta sig av Lorentz -transformationen.

"Vi visar att magnetisk och elektrisk dipol som induceras i den skakande partikeln av infallande ljus kontra intuitivt är av samma ordning när oelastisk spridning beaktas, "Poshakinskiy förklarade." Fasskillnaden mellan de elektriska och magnetiska dipolerna styrs av frekvensberoendet för partikelpermittiviteten. För en resonanspartikel, detta möjliggör kontroll av spridningsriktningen via avstämning av ljusfrekvensen från resonansen:Ljuset sprids företrädesvis framåt vid resonans och bakåt bort från det. "

Forskarna visar att i den optomekaniska Kerker -effekten, meritfiguren som kvantifierar hur mycket av ljuset som är spritt i en viss riktning jämfört med alla andra riktningar (dvs. direktivitet), kan vara så hög som 5,25. Detta överstiger direktivet på 3 som uppnåddes i den klassiska Kerker -effekten, på grund av den extra elektriska fyrfaldiga momentum som induceras av den mekaniska rörelsen.

I deras studie, Poshakinskiy och Poddubny introducerade också en andra effekt, som de kallar 'den optomekaniska spin-Hall-effekten'. I denna effekt, en riktad oelastisk spridning av ljus, beroende på dess cirkulära polarisering, realiseras för en liten darrande partikel.

"Den optomekaniska spin-Hall-effekten kan uppnås när en partikel vibrerar runt en cirkelbana snarare än att en rak linje, "Poshakinskiy sa." Vi visar att partikelns vinkelmekaniska momentum kan överföras till ljusets snurr. Då uppnår de elektromagnetiska vågorna spridda av den skakande partikeln till vänster och till höger motsatt cirkulär polarisation. "

Resultaten som samlats in av Poshakinskiy och Poddubny tyder på att interaktionen mellan ljus och mekanisk rörelse har en inneboende multipolär karaktär. Denna kvalitet kan utnyttjas i en mängd olika system, allt från kalla atomer till tvådimensionella material och supraledande qubits.

"Vi tror att den föreslagna optomekaniska Kerker öppnar ett nytt tvärvetenskapligt område genom att avslöja, för första gången, så vitt vi vet, en mycket otrivlig koppling mellan optomekanik och nanofotonik, "Poshakinskiy sa." Ur praktisk synvinkel, de föreslagna effekterna kan användas för att designa icke-ömsesidiga nanoskala optiska enheter. "

Optisk icke-ömsesidighet, vilket betyder att ljus överförs framåt och bakåt genom en optisk krets annorlunda, är avgörande för optisk signalbehandling. De flesta befintliga icke-ömsesidiga optomekaniska enheter är baserade på optiska resonatorer, som begränsar sin minimala storlek till submikron. Resultaten som samlats in av Poshakinskiy och Poddubny visar att avstämbar optomekanisk icke-ömsesidighet också kan förekomma i nanoskala vid användning av små darrande partiklar med resonanspolarisering.

"Optisk icke-ömsesidighet är också en viktig ingrediens för utformningen av fotoniska topologiska kretsar, "Tillade Poshakinskiy." I en rad skakande partiklar, man kan förvänta sig en störnings-robust spridning av ljus och ljud, säkerställs genom tidsmodulering av optiska och mekaniska egenskaper. "

Studien utförd av Poshakinskiy och Poddubny visar hur den avstämbara riktningsspridningen av ljus kan uppnås i nanoskala, introducerar de optomekaniska Kerker- och spin-Hall-effekterna. I framtiden, deras resultat kan ha flera intressanta tillämpningar, till exempel, informera utformningen av icke-ömsesidiga topologiska kretsar. Forskarna planerar nu att demonstrera den optomekaniska Kerker -effekten i laboratorieexperiment.

"Beviset för konceptet skulle vara observation av den riktade backspridningen av darrande föremål, som kan realiseras även bort från materiella resonanser, "Poshakinskiy sa" Vi tror att detta kan göras i en mängd olika system, t.ex. halvledarkvantumspunkter, övergångsmetalldikalkogenider eller grafen. Dock, nyckelfunktionen i den optomekaniska Kerker -effekten är möjligheten att växla spridningsriktningen mellan framåt och bakåt. Detta kräver partiklar med extremt skarpa resonanser i deras elektromagnetiska svar. Våra uppskattningar visar att sådan omkoppling kan realiseras för kalla atomer i optiska fällor eller superledande qubits i radiofrekvenskretsar. "

© 2019 Science X Network