Forskare har upptäckt ett elegant sätt att manipulera ljus med hjälp av en "syntetisk" Lorentz-kraft - som i naturen är ansvarig för många fascinerande fenomen inklusive norrskenet.

Ett team av teoretiska fysiker från University of Exeter har banat väg för en ny teknik för att skapa inställbara artificiella magnetfält, som gör det möjligt för fotoner att efterlikna dynamiken hos laddade partiklar i verkliga magnetfält.

Teamet tror att den nya forskningen, publicerad i ledande tidskrift Nature Photonics , kan ha viktiga konsekvenser för framtida fotoniska enheter eftersom det ger ett nytt sätt att manipulera ljus under diffraktionsgränsen.

När laddade partiklar, som elektroner, passera genom ett magnetfält känner de en Lorentz-kraft på grund av sin elektriska laddning, som kröker deras bana runt magnetfältslinjerna.

Denna Lorentz-styrka är ansvarig för många fascinerande fenomen, allt från det vackra norrskenet, till den berömda quantum-Hall-effekten vars upptäckt belönades med Nobelpriset.

Dock, eftersom fotoner inte bär en elektrisk laddning, de kan inte kontrolleras direkt med hjälp av verkliga magnetfält eftersom de inte upplever en Lorentz-kraft; en allvarlig begränsning som dikteras av fysikens grundläggande lagar.

Forskargruppen har visat att det är möjligt att skapa artificiella magnetfält för ljus genom att förvränga bikakemetasytor – ultratunna 2D-ytor som är konstruerade för att ha struktur på en skala som är mycket mindre än ljusets våglängd.

Exeter-teamet inspirerades av en anmärkningsvärd upptäckt för tio år sedan, där det visades att elektroner som fortplantar sig genom ett ansträngt grafenmembran beter sig som om de utsattes för ett stort magnetfält.

Den stora nackdelen med detta töjningstekniska tillvägagångssätt är att för att justera det artificiella magnetfältet krävs att man modifierar töjningsmönstret med precision, vilket är extremt utmanande, om inte omöjligt, har med fotoniska strukturer att göra.

Exeter-fysikerna har föreslagit en elegant lösning för att övervinna denna grundläggande brist på avstämning.

Charlie-Ray Mann, huvudforskaren och författaren till studien, förklarar:"Dessa metasytor, stödja hybridljus-materia excitationer, kallade polaritoner, som är fångade på metaytan.

"De avleds sedan av distorsionerna i metaytan på ett liknande sätt som hur magnetfält avleder laddade partiklar.

"Genom att utnyttja polaritonernas hybridnatur, vi visar att du kan ställa in det artificiella magnetfältet genom att modifiera den verkliga elektromagnetiska miljön som omger metaytan."

För studien, forskarna bäddade in metaytan mellan två speglar – känd som en fotonisk kavitet – och visar att man kan ställa in det artificiella magnetfältet genom att bara ändra bredden på den fotoniska kaviteten, därigenom tar bort behovet av att modifiera distorsionen i metaytan.

Charlie tillade:"Vi har till och med visat att du kan stänga av det artificiella magnetfältet helt och hållet vid en kritisk kavitetsbredd, utan att behöva ta bort förvrängningen i metaytan, något som är omöjligt att göra i grafen eller något system som emulerar grafen.

"Med den här mekanismen kan du böja polaritonernas bana med en avstämbar Lorentz-liknande kraft och även observera Landau-kvantisering av polaritoncyklotronbanorna, i direkt analogi med vad som händer med laddade partiklar i verkliga magnetfält.

"Dessutom, vi har visat att du drastiskt kan konfigurera om polariton Landau nivåspektrum genom att helt enkelt ändra kavitetens bredd."

Dr. Eros Mariani, studiens huvudhandledare, sa:"Att kunna efterlikna fenomen med fotoner som vanligtvis anses vara exklusiva för laddade partiklar är fascinerande ur en grundläggande synvinkel, men det kan också ha viktiga konsekvenser för fotoniktillämpningar.

"Vi är glada över att se vart denna upptäckt leder, eftersom det ställer många spännande frågor som kan utforskas i många olika experimentella plattformar över det elektromagnetiska spektrumet."