Synteettiset magneettikentät ohjaamaan valoa sirulla

Magneettikentässä olevat elektronit voivat käyttäytyä yllättäen, diskreettien energiatasojen muodostumisesta kvantti-Hall-ilmiöön. Nämä löydöt ovat muokanneet ymmärrystämme kvanttimateriaaleista ja aineen topologisista faaseista.

Valo kuitenkin koostuu neutraaleista hiukkasista, eikä se luonnostaan reagoi magneettikenttiin samalla tavalla. Tämä on rajoittanut tutkijoiden kykyä toistaa tällaisia vaikutuksia optisissa järjestelmissä, erityisesti nykyaikaisessa viestinnässä käytetyillä korkeilla taajuuksilla.

Tämän haasteen ratkaisemiseksi Shanghain Jiao Tong -yliopiston ja Sun Yat-Sen -yliopiston tutkijat ovat kehittäneet menetelmän pseudomagneettisten kenttien – synteettisten kenttien, jotka jäljittelevät oikeiden magneettikenttien vaikutusta – tuottamiseksi nanorakenteisissa materiaaleissa, jotka tunnetaan fotonisten kiteiden nimellä.

Toisin kuin aiemmissa demonstraatioissa, jotka keskittyivät tiettyihin vaikutuksiin, kuten fotonisiin Landau-tasoihin, uusi lähestymistapa mahdollistaa valon virtauksen mielivaltaisen hallinnan materiaalissa.

Tiimi saavutti tämän muuttamalla systemaattisesti pienten toistuvien yksiköiden symmetriaa piifotonisissa kiteissä. Paikallisen epäsymmetrian asteen säätäminen kussakin pisteessä mahdollisti pseudomagneettisten kenttien "suunnittelun" räätälöidyillä apatiaalisilla kuvioilla rikkomatta perustavanlaatuista aikakäännössymmetriaa. Sekä teoreettinen analyysi että kokeet vahvistivat, että nämä muokatut kentät voivat ohjata ja manipuloida valoa monipuolisesti.

Käytännön sovellusten havainnollistamiseksi tutkijat rakensivat kaksi integroidussa optiikassa yleisesti käytettyä laitetta. Toinen oli kompakti S-muotoinen aaltojohde, joka lähetti valoa alle 1,83 desibelin signaalihäviöllä. Toinen oli tehonjakaja, joka jakoi valon kahteen yhtä suureen reittiin pienellä ylimääräisellä häviöllä ja minimoimalla epätasapainon.

Viimeisessä testissä laitteet lähettivät onnistuneesti nopeaa datavirtaa nopeudella 140 gigabittiä sekunnissa käyttäen standardia tietoliikennemodulaatioformaattia eli tekniikka on yhteensopiva olemassa olevien optisten tietoliikennejärjestelmien kanssa.

Välittömien sovellusten lisäksi työ avaa uusia mahdollisuuksia kvanttifysiikan inspiroimien ilmiöiden tutkimiseen valon avulla.

Mahdollisuus luoda keinotekoisia mittakenttiä fotonisiin järjestelmiin voisi mahdollistaa laitteiden kehittämisen optisen laskennan, kvantti-informaation ja edistyneiden viestintäteknologioiden alalla.

Aiheesta aiemmin:

Valo reagoi magneettikenttään kuin elektroni

Fotonikiteet taivuttavat valoa aivan kuin painovoima

Synteettinen magnetismi ohjailee valoa