Squaring the circle – De symmetrie van een bol doorbreken om de polarisatie van licht te beheersen

Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology en Institute of Photonic Sciences hebben een methode ontwikkeld om circulair gepolariseerd licht te genereren vanuit de ultieme symmetrische structuur: de bol. Hun benadering omvat het doorbreken van de inherente symmetrie van de bol door middel van elektronenstraalexcitatie, waardoor de fase en polarisatie van het uitgezonden licht nauwkeurig kunnen worden geregeld. Deze methode kan worden gebruikt om informatie te coderen in de fase- en polarisatierichting van circulair gepolariseerd licht, waardoor nieuwe kwantumcommunicatie- en coderingstechnologieën mogelijk zijn.

Lichtgolven hebben een eigenschap die polarisatie wordt genoemd en die een enorm potentieel heeft in communicatie- en informatietechnologieën. Deze eigenschap houdt verband met de oriëntatie van de oscillaties loodrecht op de voortplantingsrichting van de golf. De eenvoudigere soorten polarisatie zijn statisch – bijvoorbeeld puur verticale of horizontale polarisatie. Er is echter ook een circulaire polarisatie, waarbij de oriëntatie van de oscillatie continu roteert terwijl de golf zich voortplant.

Circulair gepolariseerd licht (CPL) is een belangrijk ingrediënt van technologieën van de volgende generatie, zoals kwantumcommunicatie en encryptie. CPL kan een rechtshandige of linkshandige polarisatie hebben, afhankelijk van de richting waarin de oscillaties roteren. Dit “binaire” kenmerk van circulaire polarisatie kan worden gebruikt om informatie in licht op een robuuste manier te coderen; met andere woorden, het is onwaarschijnlijk dat een ontvanger rechtshandige CPL zou verwarren met linkshandige CPL. Het ontwikkelen van emitters die CPL kunnen produceren, is dus een actief onderzoeksgebied.

Een nieuwe methode om CPL te produceren is het gebruik van tweedimensionale achirale structuren. Het woord “achiraal” is vergelijkbaar met “symmetrisch”, wat betekent dat het spiegelbeeld van een achirale structuur niet te onderscheiden is van het oorspronkelijke object. Maar hoe zendt een symmetrisch object licht uit met twee verschillende modi van circulaire polarisatie? Het antwoord is “externe symmetriebreking”, waarbij gecontroleerde gelokaliseerde excitaties of speciaal ontworpen detectieschema’s ervoor zorgen dat achirale structuren CPL produceren met de gewenste oriëntatie. In een recente studie gepubliceerd in ACS Nano hebben wetenschappers van Tokyo Tech, Japan en ICFO, Spanje, een manier gevonden om CPL te genereren vanuit de ultieme symmetrische structuur – de bol.

Sferische nanodeeltjes werken als omnidirectionele antennes en, omdat ze achiraal zijn, hebben ze externe symmetriebreuk nodig om CPL te produceren. In hun nieuwe benadering bestraalde het team van wetenschappers een bolvormig nanodeeltje met elektronenbundels om een ​​fenomeen op gang te brengen dat bekend staat als “kathodoluminescentie”. Dit proces, dat de basis vormt van televisieschermen uit de 20e eeuw, omvat hoogenergetische elektronen die op het materiaal botsen en meerdere lokale elektronen exciteren tot hogere energietoestanden, die deze overtollige energie vervolgens als fotonen uitzenden. Universitair hoofddocent Takumi Sannomiya, die de studie leidde, merkt op: “Het gebruik van elektronenstralen is een veelzijdige manier om precieze optische modi op te wekken en biedt potentiële voordelen voor het on-demand genereren van CPL.”

Bij gebruik van een bol is echter een goed ontworpen excitatieschema nodig om de gewenste symmetriebreking te bereiken. De wetenschappers stelden niet één, maar twee verschillende manieren voor om links- en rechtshandige CPL uit een bol te produceren. De eerste manier omvat het manipuleren van de faseverschillen tussen twee elektrische dipolen die door een elektronenbundel in de bol worden geïnduceerd. De andere manier is het benutten van de interferentie die wordt geproduceerd tussen magnetische en elektrische dipolen.

Om de CPL die door hun bolvormige nanodeeltjes wordt gegenereerd experimenteel te visualiseren, ontwikkelden de wetenschappers een polarimetrische techniek genaamd vierdimensionale STEM-CL, een afkorting van “scanning transmissie-elektronenmicroscopie-kathodoluminescentie”. Met name de experimentele resultaten waren bijna perfect in overeenstemming met de voorspellingen van rigoureuze theoretische analyses. Sannomiya is enthousiast over de resultaten en concludeert: “Onze aanpak biedt een groot potentieel voor de ontwikkeling van aanpasbare CPL-bronnen, waarbij de fase en polarisatiegraad van het uitgezonden licht gemakkelijk kunnen worden gecontroleerd door middel van positionering van de elektronenbundel.” De veelzijdigheid van deze nieuwe methode zou van groot nut kunnen zijn om informatie over de fase en polarisatie van fotonen te coderen, waardoor nieuwe communicatie- en coderingsmethoden mogelijk worden.