Valo reagoi magneettikenttään kuin elektroni

(30.4.2024) Toisin kuin elektronit, valon hiukkaset ovat varauksettomia, joten ne eivät reagoi magneettikenttiin. Tästä huolimatta tutkijat ovat nyt kokeellisesti saaneet valon "tuntemaan" pseudomagneettisen kentän fotonikiteessä, joka on valmistettu piistä ja lasista.

Kiteen sisällä valon spinit liikkuvat ympyräradoilla ja tutkijat havaitsivat ensimmäistä kertaa, että näin muodostuu erillisiä energiavyöhykkeitä, nimeltään Landau-tasoja, mikä vastaa hyvin tunnettua elektroneissa havaittua ilmiötä.

Tämä Penn Staten tutkijoiden havainto voi viitata uusiin tapoihin lisätä valon vuorovaikutusta aineen kanssa, edistystä, jolla on potentiaalia parantaa fotoniteknologioita, kuten hyvin pieniä lasereita.

Kokeita esittelevä tutkimuspaperi julkaistiin Nature Photonics -lehdessä yhdessä toisen paperin kanssa, joka havainnoi itsenäisesti samaa ilmiötä. Sen toteuttivat Delft yliopiston ja AMOLF-instituutin yhteistyöryhmä, ja sitä johti Ewold Verhagen.

"Varatuille hiukkasille, kuten elektroneille, on paljon mielenkiintoista fysiikkaa, joka johtuu niiden vuorovaikutuksesta magneettikenttien kanssa", sanoi Penn Staten tutkimusryhmän johtaja Rechtsman,. "Tästä syystä on ollut kiinnostusta jäljitellä tätä fysiikkaa fotoneille, jotka eivät ole varautuneet eivätkä siten reagoi magneettikenttiin."

"Landau-tasot ovat tavallaan samanlaisia kuin atomin ytimen ympärillä olevien elektronien kiertoradan energiatasot", Rechtsman sanoo. "Atomissa energiatasot johtuvat negatiivisesti varautuneiden elektronien vetovoimasta positiivisesti varautuneeseen ytimeen, kun taas Landau-tasot johtuvat elektronien vuorovaikutuksesta magneettikentän kanssa.

Samankaltaisen ilmiön saa aikaan grafeenilla sitä mekaanisesti venyttelemällä. Nyt ideana oli tehdä sama fotonikiteillä. Mekaaninen venyttely saa kiteeseen aikaan pseudomagneettisen kentän. Molempien tutkimusryhmien kiteet ovat pieniä hunajakennomaisen reikien hilan sisältäviä piilaattoja.

Kun ajetaan laserivaloa jännittämättömään hilaan, valo leviää tasaisesti kiteeseen. Jännittyneessä hilassa valo sen sijaan liikkuu ympyröissä ja valon energiaspektri muuttuu muodostaen diskreettejä vyöhykkeitä aivan kuten Landau-tasot. Toisin kuin Landau-tasot elektroneissa, energiakaistat eivät ole tasaisia mutta kidettä edelleen muokaten tutkijat saivat aikaan tasaisen kaistan Landau-tasot aivan kuten elektroneista.

"On olemassa joukko sovelluksia, joissa valon ja aineen vuorovaikutuksen lisääminen voi parantaa niiden toimintaa", Rechtsman sanoi. "Kun sinulla on litteät nauhat, se tarkoittaa, että valo pysyy yhdessä paikassa pidempään, mikä tarkoittaa, että mitä tahansa yrität tehdä valolla, voit tehdä sen tehokkaammin. Tällä hetkellä tutkimme voimmeko käyttää tätä mallia tehokkaampiin lasereihin fotonisiruilla."

Aaiheesta aiemmin:

Fotonit taipuvat moneen

Lisää puhtia nanofotoniikalle