Till skillnad från elektroner är ljuspartiklar oladdade, så de reagerar inte på magnetfält. Trots detta har forskare nu experimentellt fått ljus att effektivt "känna" ett magnetfält inom en komplicerad struktur som kallas en fotonisk kristall, som är gjord av kisel och glas.
Inuti kristallen snurrar ljuset i cirklar och forskarna observerade för första gången att det bildar diskreta energiband som kallas Landau-nivåer, vilket är parallellt med ett välkänt fenomen som ses i elektroner.
Denna upptäckt kan peka på nya sätt att öka interaktionen mellan ljus och materia, ett framsteg som har potential att förbättra fotonisk teknik, som mycket små lasrar.
Detta arbete, ledd av forskare vid Penn State, baserades på en tidigare teoretisk förutsägelse av gruppmedlemmarna Penn State professor i fysik Mikael Rechtsman, Penn State doktorand Jonathan Guglielmon och Columbia University matematiker Michael Weinstein.
En artikel som beskriver experimenten publicerades den 23 april i tidskriften Nature Photonics tillsammans med en annan artikel av en separat grupp forskare i Nederländerna, ledd av Ewold Verhagen, som oberoende observerade samma fenomen.
"För laddade partiklar som elektroner finns det mycket intressant fysik som är resultatet av deras interaktioner med magnetfält", säger Rechtsman, ledaren för forskargruppen. "På grund av detta har det funnits ett intresse av att emulera denna fysik för fotoner, som inte är laddade och därför inte svarar på magnetfält."
När elektroner som är begränsade till en tvådimensionell yta utsätts för ett starkt magnetfält rör sig de i cirkulära eller "cyklotron"-banor. Rörelsen i dessa banor blir kvantifierad – elektronerna blir begränsade till vissa diskreta energier, som kallas Landau-nivåer.
"Landau-nivåer är ungefär besläktade med energinivåerna för elektronorbitaler runt kärnan i en atom," sa Rechtsman. "I en atom är energinivåerna ett resultat av attraktionen av negativt laddade elektroner till den positivt laddade kärnan, medan Landau-nivåerna är resultatet av interaktionen mellan elektronerna med ett magnetfält. Vi använde en metod för att emulera ett magnetfält - kallat pseudomagnetiskt fält fält – för ljus genom att exakt manipulera strukturen hos en fotonisk kristall."
Forskargruppen skapar dessa kristaller i små skivor av kisel, liknande det som används för att göra datorchips, vid Nanofabrication Laboratory inom Materials Research Institute i Penn State. De skapar ett bikakeliknande galler av hål i kiselplattan, som bara är 1/1000 av tjockleken på ett människohår.
Forskarna lyser in laserljus i den kristallinnehållande plattan, och gallermönstret får en del av ljuset att studsa runt i kristallen. Teamet kan sedan mäta ljusets spektrum när det lämnar kristallen. För att efterlikna effekterna av ett magnetfält lägger forskarna till en "töjning" till mönstret av gittret.
"För det otränade gittret tillverkade vi en bikakestruktur av triangulära hål i nanoskala som upprepas i hela rymden i ett tvådimensionellt mönster," förklarade Rechtsman. "För att lägga till påfrestningen gjorde vi en annan platta, men deformerade mönstret. Det nya mönstret ser ut som om vi drog upp på de två sidorna samtidigt som vi drog ner på undersidan."
När forskarna lyser in lasern i det otränade gittret sprids ljuset ut jämnt i kristallen. I det ansträngda gittret rör sig ljuset istället i cirklar och ljusets energispektrum förändras och bildar diskreta band precis som Landau-nivåer. Till skillnad från Landau-nivåer i elektroner är energibanden inte platta. Istället är de krökta, vilket forskarna sa är resultatet av det krökta mönstret i den spända kristallen.
"Den böjda karaktären hos banden är känd som dispersion," sa Rechtsman. "För att försöka mildra spridningen lade vi till en extra belastning till mönstret. Denna extra belastning, som fungerar som en pseudoelektrisk potential, motverkar spridningen och ger oss plattbandiga Landau-nivåer precis som de från elektroner."
De platta banden representerar en koncentration av fotoner vid vissa diskreta energier, vilket ger en möjlighet att öka ljusets interaktion med materia.
"Det finns ett gäng applikationer där ökad interaktion mellan ljus och materia kan förbättra deras funktion," sa Rechtsman. "När du har platta band betyder det att ljuset sitter kvar på ett ställe längre, vilket betyder att vad du än försöker göra med ljuset kan du göra det mer effektivt. Just nu tittar vi på om vi kan använda den här designen för effektivare lasrar på fotoniska chips."
Mer information: Maria Barsukova et al, Direkt observation av Landau-nivåer i fotoniska kiselkristaller, Nature Photonics (2024). DOI:10.1038/s41566-024-01425-y
Journalinformation: Naturfotonik
Tillhandahålls av Pennsylvania State University
