Hur kan en ljusstråle se skillnaden mellan vänster och höger? Vid Wiens tekniska universitet (TU Wien) har små partiklar kopplats till en glasfiber. Partiklarna avger ljus i fibern på ett sådant sätt att det inte rör sig i båda riktningarna, som man kan förvänta sig. Istället, ljuset kan riktas antingen till vänster eller till höger. Detta har blivit möjligt genom att använda en anmärkningsvärd fysisk effekt-spinn-omloppskopplingen av ljus. Denna nya typ av optisk switch har potential att revolutionera nanofotonik.

Forskarna har nu publicerat sitt arbete i tidningen Vetenskap .

Guldnanopartiklar på glasfiber

När en partikel absorberar och avger ljus, detta ljus avges inte bara i en riktning. "En partikel i fritt utrymme kommer alltid att avge lika mycket ljus i en viss riktning som den avger i motsatt riktning", säger professor Arno Rauschenbeutel (TU Wien). Hans team har nu lyckats bryta denna utsläppssymmetri med guldnanopartiklar kopplade till ultratunna glasfibrer. Det infallande laserljuset avgör om ljuset som avges av partikeln rör sig åt vänster eller höger i glasfibern.

Cyklar och flygplanspropellrar

Detta är endast möjligt eftersom ljuset har en inneboende vinkelmoment, snurren. Liknar en pendel som kan svänga i ett visst plan eller röra sig i cirklar, en ljusvåg kan ha olika oscillationsriktningar. Om den har en väldefinierad vibrationsriktning, det kallas en "polariserad våg". "En enkel planvåg har samma polarisering överallt", säger Arno Rauschenbeutel, "men när ljusets intensitet förändras lokalt, polarisationen förändras också. "

Vanligtvis, ljuset oscillerar i ett plan vinkelrätt mot dess utbredningsriktning. Om svängningen är cirkulär, detta liknar rörelsen från en flygplanspropeller. Dess rotationsaxel - motsvarande snurrningen - pekar i förökningsriktningen. Men ljus som rör sig genom ultratunna glasfibrer har mycket speciella egenskaper. Dess intensitet är mycket hög inuti glasfibern, men det minskar snabbt utanför fibern. "Detta leder till en ytterligare fältkomponent i glasfiberns riktning", säger Arno Rauschenbeutel. Ljusvågens rotationsplan svänger 90 grader. "Sedan, förökningsriktningen är vinkelrät mot snurren, precis som en cykel, rör sig i en riktning som är vinkelrät mot hjulaxlarna. "

Genom att kontrollera hjulens rotationsriktning-medurs eller moturs-kan vi se om en cykel rör sig åt höger eller vänster när man tittar på den från sidan. Det är exakt samma sak med ljusstrålarna i den ultratunna glasfibern. Ljusfältets rotationskänsla är kopplad till rörelseriktningen. Denna typ av koppling är en direkt följd av glasfibergeometrin och elektrodynamikens lagar. Effekten kallas "spin-orbit-coupling of light".

Kopplingsrotation och rörelseriktning

När en partikel som är kopplad till glasfibern bestrålas med en laser på ett sådant sätt att den avger ljus med en särskild rotationskänsla, det utsända ljuset sprider sig således till bara en viss riktning inuti glasfibern - antingen till vänster eller till höger. Denna effekt har nu visats med en enda guldnanopartikel på en glasfiber. Fibern är 250 gånger tunnare än ett människohår; guldpartikelns diameter är till och med fyra gånger mindre. Både fiberns och partikelns diameter är ännu mindre än våglängden för det utsända ljuset.

"Denna nya teknik bör lätt göras tillgänglig i kommersiella applikationer. Redan nu, hela experimentet passar in i en skokartong ", säger Arno Rauschenbeutel. "Metoden kan tillämpas på integrerade optiska kretsar. Sådana system kan en dag ersätta de elektroniska kretsar vi använder idag."