_ A face lumina să „simtă” un câmp magnetic ca un electron

Spre deosebire de electroni, particulele de lumină sunt neîncărcate, deci nu răspund la câmpurile magnetice. În ciuda acestui fapt, cercetătorii au făcut acum ca lumina să „simtă” eficient un câmp magnetic într-o structură complicată numită cristal fotonic, care este făcută din siliciu și sticlă.

În interiorul cristalului, lumina se rotește în cercuri și cercetătorii au observat, pentru prima dată, că formează benzi de energie discrete numite niveluri Landau, care sunt paralele cu un fenomen binecunoscut observat în electroni.

Această descoperire ar putea indica noi modalități de a crește interacțiunea luminii. cu materie, un progres care are potențialul de a îmbunătăți tehnologiile fotonice, cum ar fi laserele foarte mici.

Această lucrare, condusă de cercetători de la Penn State, s-a bazat pe o predicție teoretică anterioară a membrilor echipei Penn State Professor of Fizică Mikael Rechtsman, studentul absolvent al Penn State Jonathan Guglielmon și matematicianul de la Universitatea Columbia Michael Weinstein.

O lucrare care descrie experimentele a fost publicată pe 23 aprilie în revista Nature Photonics, alături de o altă lucrare a unui grup separat de cercetători din Țările de Jos. , condus de Ewold Verhagen, care a observat în mod independent același fenomen.

„Pentru particulele încărcate precum electronii, există o mulțime de fizică interesantă care rezultă din interacțiunile lor cu câmpurile magnetice”, a spus Rechtsman, liderul grupului. echipa de cercetare. „Din acest motiv, a existat un interes de a emula această fizică pentru fotoni, care nu sunt încărcați și, prin urmare, nu răspund la câmpurile magnetice.”

Când electronii limitați la o suprafață bidimensională sunt expuși. la un câmp magnetic puternic se deplasează în orbite circulare sau „ciclotron”. Mișcarea acestor orbite devine cuantificată – electronii devin constrânși la anumite energii discrete, care sunt numite niveluri Landau.

„Nivelurile Landau sunt oarecum asemănătoare cu nivelurile de energie ale orbitalilor de electroni din jurul nucleului unui atom. ”, a spus Rechtsman. „Într-un atom, nivelurile de energie rezultă din atracția electronilor încărcați negativ către nucleul încărcat pozitiv, în timp ce nivelurile Landau rezultă din interacțiunea electronilor cu un câmp magnetic. Am folosit o metodă de emulare a unui câmp magnetic - numită pseudomagnetic. câmp — pentru lumină prin manipularea precisă a structurii unui cristal fotonic.”

Echipa de cercetare creează aceste cristale în plăci minuscule de siliciu, similar cu ceea ce este folosit pentru a face cipuri de computer, la Laboratorul de Nanofabrication din cadrul Institutul de Cercetare a Materialelor din Penn State. Ei creează o rețea de găuri asemănătoare unui fagure de miere în interiorul plăcii de siliciu, care are doar 1/1000 din grosimea unui păr uman.

Cercetătorii strălucesc cu lumină laser în placa care conține cristale și modelul rețelei. face ca o parte din lumină să sară în interiorul cristalului. Echipa poate măsura apoi spectrul luminii când iese din cristal. Pentru a imita efectele unui câmp magnetic, cercetătorii adaugă o „tulpină” modelului rețelei.

„Pentru rețeaua netensionată, am fabricat o structură de tip fagure din găuri triunghiulare la scară nanometrică care se repetă în spațiu. într-un model bidimensional”, a explicat Rechtsman. „Pentru a adăuga tulpina, am făcut o altă placă, dar am deformat modelul. Noul model arată ca și cum am tras în sus pe cele două părți, în timp ce am tras în jos pe partea inferioară.”

Când cercetătorii strălucesc laserul în rețeaua netensionată, lumina se răspândește uniform în cristal. În rețeaua tensionată, lumina se mișcă în cercuri și spectrul de energie al luminii se modifică, formând benzi discrete la fel ca nivelurile Landau. Spre deosebire de nivelurile Landau în electroni, benzile de energie nu sunt plate. În schimb, sunt curbate, despre care cercetătorii au spus că rezultă din modelul curbat din cristalul încordat.

„Natura curbată a benzilor este cunoscută sub numele de dispersie”, a spus Rechtsman. „Pentru a încerca să atenuăm dispersia, am adăugat o tulpină suplimentară modelului. Această tulpină adăugată, care acționează ca un potențial pseudo-electric, contracarează dispersia, dându-ne niveluri Landau în bandă plată la fel ca cele de la electroni.”

Benzile plate reprezintă o concentrație de fotoni la anumite energii discrete, oferind o cale de a crește interacțiunea luminii cu materia.

„Există o grămadă de aplicații în care crește interacțiunea luminii și materia le poate îmbunătăți funcția”, a spus Rechtsman. „Când ai benzi plate, asta înseamnă că lumina rămâne într-un singur loc pentru mai mult timp, ceea ce înseamnă că orice ai încerca să faci cu lumina, o poți face mai eficient. În acest moment, analizăm dacă putem folosi acest design pentru lasere mai eficiente pe cipuri fotonice.”

(Fluierul)