Kvantti spin Hall -ilmiö valossa

Japanilaisen RIKEN Center for Emergent Matter Sciencen (CEMS) tutkijat ovat osoittaneet, että kvantti spin Hall -ilmiö, joka tunnetaan kiinteän olomuodon fysiikassa, on myös valon luontainen ominaisuus.

Fotoneilla ei ole massaa eikä varausta, joten ne käyttäytyvät hyvin eri tavoin kuin niiden massiiviset vastineensa. Mutta niillä on yhteisenä ominaisuutena spin, mikä johtaa huomattaviin geometrisiin ja topologisiin ilmiöihin.

Aiempiin töihinsä tukeutuen, tutkijat löysivät epätavallisen poikittaisen spinin, joka on osoitus siitä, että vapaan tilan valo osoittaa luontaista kvantti spin Hall –ilmiötä. Tämä tarkoittaa, että vaimenevat aallot, joilla on vastakkainen spin, kulkevat vastakkaisiin suuntiin pitkin kahden median rajapintaa.

Elektroneille tapahtuva kvantti spin Hall –ilmiö mahdollistaa muun muassa topologiset eristeet, jotka johtavat sähköä pinnalla, mutta ei pääosassa materiaalia.

Ryhmää kiehtoi ajatus, että fotoneille löytyisi vastaava analogia. He pystyivät osoittamaan, että epätavallinen poikittainen spin todella aiheutti fotonien luontaisen kvantti Hall –ilmiön. Tulokset selittävät myös viimeaikaisia kokeita, jotka ovat osoittaneet spin-ohjattuja optisien muotojen yksisuuntaisia etenemisiä.

"Ollen puhtaasti tieteellistä tasoa, tämä tutkimus syventää ymmärrystä valoaaltojen klassisesta teoriasta, jonka James Clark Maxwell kehitti 150 vuotta sitten. Se voi myös johtaa sovelluksiin, joissa käytetään optisia laitteita, jotka perustuvat spinin suuntaan, toteaa tutkimusta johtanut Konstantin Bliokh.

Nopeasti vaimenevat valonaallot liittyvät pintaplasmoneihin, jotka etenevät pitkin metallin ja tyhjiön rajapintaa. Ne ovat loukkuuntuneet metallin pinnalle ja vaimenevat nopeasti.

Pacific Northwest National Laboratoryn tutkijat ovat nyt osoittaneet, että plasmonit voivat edetä kauemmaksi kuin mitä on oletettu. Nyt löydetty 250 mikronin etäisyys on tutkijoiden mukaan riittävä, jotta niitä voitaisiin käyttää huippunopeiden elektronisien piirien viestinviejinä.

Koska pintaplasmonit kulkevat lähes valon nopeudella, tällä tekniikalla toteutetut mikropiirit voisivat toimia huomattavasti nopeammin kuin nykyinen elektroniikka