En ultrakompakt cirkulärt polariserad ljuskälla är en avgörande komponent för tillämpningar av klassisk och kvantoptisk informationsbehandling. Utvecklingen av detta område är beroende av framstegen inom två områden:kvantmaterial och kirala optiska kaviteter. Konventionella tillvägagångssätt för cirkulärt polariserad fotoluminescens lider av inkoherent bredbandsemission, begränsad DOP och stora strålningsvinklar. Deras praktiska tillämpningar begränsas av låg effektivitet och energislöseri till oönskade handhavande och emissionsriktningar. De kirala mikrolasrarna kan ha stora DOP:er och riktad utgång, men bara i specifika effektområden. Viktigast av allt, deras undertröskelprestanda rasar avsevärt. Hittills saknas strategin för samtidig kontroll av kiral spontan emission och kiral lasring.

I en ny artikel publicerad i Science , använder forskare från Harbin Institute of Technology och Australian National University fysiken för kirala kvasibundna tillstånd i kontinuumet (BIC) och demonstrerar den effektiva och kontrollerbara emissionen av cirkulärt polariserat ljus från resonanta metasytor.

BIC:er med heltals topologisk laddning i momentumrymden och en teoretiskt oändlig Q-faktor har utforskats för många applikationer inklusive olinjär optik och lasring. Genom att introducera asymmetri i planet blir BIC:er kvasi-BIC:er med ändliga men fortfarande höga Q-faktorer. Intressant nog skulle den heltalstopologiska laddningen i BIC-läge delas upp i två halvheltalsladdningar, som fördelar sig symmetriskt i momentumrymden och motsvarar vänster- och högerhänta cirkulära polarisationstillstånd, även kända som C-punkter.

Vid C-punkterna kan infallande ljus med ett cirkulärt polarisationstillstånd kopplas in i nanostrukturerna och producera dramatiskt förbättrade lokala elektromagnetiska fält. Det andra polarisationstillståndet är frikopplat och sänder nästan perfekt. Sådana egenskaper är välkända men tillämpas sällan på ljusemissioner. "Detta beror främst på att C-punkterna vanligtvis avviker från botten av bandet. De har relativt låg Q-faktor och kan inte upphetsas för lasrande åtgärder", säger Zhang.

För att realisera den kirala ljusemissionen är ett nyckelsteg att kombinera den lokala densiteten av tillstånd med den inneboende kiraliteten vid C-punkter. Om en C-punkt förskjuts till botten av bandet kan Q-faktorn för motsvarande kirala kvasi-BIC vara maximal. Enligt Fermis gyllene regel förstärks strålningshastigheten för en cirkulärt polariserad spontan emission, medan den andra polarisationen hämmas. Både Q-faktorn och strålningshastigheten minskar dramatiskt med emissionsvinkeln. Som ett resultat kan hög renhet och mycket riktad ljusemission förväntas nära Γ-punkten.

"Naturligtvis kan den andra C-punkten stödja liknande hög kiralitet med motsatt handenhet. Men den punkten avviker också från den maximala Q-faktorn och mindre förbättras. Därför producerar vår metayta bara en nästan enhetlig cirkulär polarisering med hög riktning kring det normala riktning", säger Zhang.

Styrningen av C-punkter i momentumrymden är nära relaterad till maximeringen av kiralitet i normal riktning. I princip hänför sig realiseringen av kiralitet till den samtidiga brytningen av spegelreflektionssymmetrier i planet och utanför planet. I denna forskning har teamet introducerat en asymmetri utanför planet, lutningen av nanostrukturer. För en asymmetri i planet finns det en asymmetri utanför planet som kan flytta en C-punkt till Γ-punkt. "Vi finner att två typer av asymmetrier är linjärt beroende av varandra. Detta gör optimeringen av kiralitet i normal riktning mycket lätt", säger Zhang.

I experiment har forskarna tillverkat metasytorna med en ettstegs lutande reaktiv jonetsningsprocess och karakteriserat utsläppen. Under excitation av en nanosekundlaser har de framgångsrikt demonstrerat de kirala emissionerna med en DOP på 0,98 och en divergerande vinkel för fjärrfältet på 1,06 grader. "Vår cirkulära ljuskälla realiseras med kontroll av C-punkten i momentumrymden och lokala densitet av tillstånd. Den är oberoende av excitationskraften", säger Zhang. "Detta är anledningen till att vi kan uppnå hög Q, hög riktning och hög renhet cirkulär polarisationsemission från spontan emission till lasring."

Jämfört med konventionella tillvägagångssätt ger den kirala kvasi-BIC ett sätt att samtidigt modifiera och kontrollera spektra, strålningsmönster och spinnvinkelmomentum av fotoluminescens och lasring utan någon spinninjektion. Detta tillvägagångssätt kan förbättra utformningen av nuvarande källor för kiralt ljus och öka deras tillämpningar i fotoniska och kvantsystem. + Utforska vidare

Förbättring av robustheten hos bundna tillstånd i kontinuumet med högre topologiska laddningar