Forskare vid Tokyo Institute of Technology och Institute of Photonic Sciences har utvecklat en metod för att generera cirkulärt polariserat ljus från den ultimata symmetriska strukturen:sfären. Deras tillvägagångssätt innebär att bryta sfärens inneboende symmetri genom elektronstråleexcitering, vilket möjliggör en exakt styrning av fasen och polariseringen av det emitterade ljuset. Denna metod kan användas för att koda information i fas- och polarisationsriktningen för cirkulärt polariserat ljus, möjliggör nya kvantkommunikations- och krypteringstekniker.

Ljusvågor har en egenskap som kallas polarisering som har en enorm potential inom kommunikations- och informationsteknik. Denna egenskap är relaterad till orienteringen av oscillationerna vinkelrätt mot vågens utbredningsriktning. De enklare typerna av polarisering är statiska, t.ex. rent vertikal eller horisontell polarisering. Dock, det finns cirkulär polarisering också, där oscillationens orientering kontinuerligt roterar när vågen fortplantar sig.

Cirkulärt polariserat ljus (CPL) är en nyckelingrediens i nästa generations teknologier som kvantkommunikation och kryptering. CPL kan ha höger- eller vänsterhänt polarisering beroende på i vilken riktning svängningarna roterar. Denna "binära" egenskap hos cirkulär polarisation kan användas för att koda information i ljus på ett robust sätt; med andra ord, det är osannolikt att en mottagare skulle missta högerhänt CPL med vänsterhänt CPL. Således, att utveckla sändare som kan producera CPL är ett aktivt forskningsområde.

En framväxande metod för att producera CPL är att använda tvådimensionella akirala strukturer. Ordet "achiral" liknar "symmetrisk, " vilket betyder att spegelbilden av en akiral struktur inte kan skiljas från det ursprungliga objektet. Men hur avger ett symmetriskt objekt ljus med två olika lägen av cirkulär polarisation? Svaret är "extern symmetribrytning, " varvid kontrollerade lokaliserade excitationer eller specialdesignade detektionsscheman får akirala strukturer att producera CPL med önskad orientering. I en nyligen publicerad studie publicerad i ACS Nano , forskare vid Tokyo Tech, Japan och ICFO, Spanien, har hittat ett sätt att generera CPL från den ultimata symmetriska strukturen – sfären.

Sfäriska nanopartiklar fungerar som rundstrålande antenner och, att vara akiral, kräver extern symmetribrytning för att producera CPL. I sitt nya tillvägagångssätt, teamet av forskare bestrålade en sfärisk nanopartikel med elektronstrålar för att utlösa ett fenomen som kallas "katodoluminescens". Denna process, som är grunden för 1900-talets tv-skärmar, involverar högenergielektroner som träffar materialet och exciterar flera lokala elektroner till högre energitillstånd, som sedan avger denna överskottsenergi som fotoner. Docent Takumi Sannomiya, som ledde studien, anmärkningar, "Användningen av elektronstrålar är ett mångsidigt sätt att spännande exakta optiska lägen och presenterar potentiella fördelar för on-demand-generering av CPL."

Dock, när du använder en sfär, ett korrekt utformat exciteringsschema är nödvändigt för att uppnå den önskade symmetribrytningen. Forskarna föreslog inte en, men två olika sätt att producera vänster- och högerhänt CPL från en sfär. Det första sättet innebär att manipulera fasskillnaderna mellan två elektriska dipoler som induceras i sfären av en elektronstråle. Det andra sättet är att utnyttja interferensen mellan magnetiska och elektriska dipoler.

För att experimentellt visualisera CPL som genereras av deras sfäriska nanopartiklar, forskarna utvecklade en polarimetriteknik som kallas fyrdimensionell STEM-CL, förkortning för "scanning transmission elektronmikroskopi-katodoluminescens." I synnerhet, de experimentella resultaten var nästan helt i linje med förutsägelserna från rigorösa teoretiska analyser. Spännande över resultatet, Sannomiya avslutar, "Vårt tillvägagångssätt har stor potential för utveckling av anpassningsbara CPL-källor, varvid fasen och graden av polarisation av det emitterade ljuset lätt kan kontrolleras genom positionering av elektronstrålen." Mångsidigheten hos denna nya metod kan vara till stor nytta för att koda information om fasen och polariseringen av fotoner, möjliggör nya kommunikations- och krypteringsmetoder.