Forzar una metasuperficie de panal genera un campo magnético artificial para la luz que se puede sintonizar incrustando la metasuperficie dentro de una guía de ondas de cavidad. Crédito: Universidad de Exeter
Los científicos han descubierto una forma elegante de manipular la luz utilizando una fuerza de Lorentz “sintética”, que en la naturaleza es responsable de muchos fenómenos fascinantes, incluida la Aurora Boreal.
Un equipo de físicos teóricos de la Universidad de Exeter ha sido pionero en una nueva técnica para crear campos magnéticos artificiales sintonizables, que permiten a los fotones imitar la dinámica de partículas cargadas en campos magnéticos reales.
El equipo cree que la nueva investigación, publicada en una revista líder Fotónica de la naturaleza, podría tener implicaciones importantes para los dispositivos fotónicos futuros, ya que proporciona una forma novedosa de manipular la luz por debajo del límite de difracción.
Cuando las partículas cargadas, como los electrones, atraviesan un campo magnético, sienten una fuerza de Lorentz debido a su carga eléctrica, que curva su trayectoria alrededor de las líneas del campo magnético.
Esta fuerza de Lorentz es responsable de muchos fenómenos fascinantes, que van desde la hermosa aurora boreal hasta el famoso efecto Hall cuántico, cuyo descubrimiento fue galardonado con el Premio Nobel.
Autores del artículo Nature Photonics, de izquierda a derecha: Charlie-Ray Mann (científico principal), Simon Horsley y Eros Mariani. Crédito: Universidad de Exeter
Sin embargo, debido a que los fotones no llevan carga eléctrica, no pueden controlarse directamente usando campos magnéticos reales ya que no experimentan una fuerza de Lorentz; una limitación severa dictada por las leyes fundamentales de la física.
El equipo de investigación ha demostrado que es posible crear campos magnéticos artificiales para la luz distorsionando las metasuperficies en forma de panal de abejas, superficies 2D ultradelgadas que están diseñadas para tener una estructura en una escala mucho más pequeña que la longitud de onda de la luz.
El equipo de Exeter se inspiró en un descubrimiento notable hace diez años, donde se demostró que los electrones se propagan a través de una tensión grafeno la membrana se comporta como si estuvieran sometidos a un gran campo magnético.
El principal inconveniente de este enfoque de ingeniería de deformaciones es que para sintonizar el campo magnético artificial se requiere modificar el patrón de deformación con precisión, lo que es extremadamente difícil, si no imposible, de hacer con estructuras fotónicas.
Los físicos de Exeter han propuesto una elegante solución para superar esta falta fundamental de sintonía.
Charlie-Ray Mann, el científico principal y autor del estudio, explica: “Estas metasuperficies soportan excitaciones híbridas de materia luminosa, llamadas polaritones, que quedan atrapadas en la metasuperficie.
“Luego son desviadas por las distorsiones en la metasuperficie de una manera similar a cómo los campos magnéticos desvían las partículas cargadas.
“Al explotar la naturaleza híbrida de los polaritones, mostramos que se puede sintonizar el campo magnético artificial modificando el entorno electromagnético real que rodea la metasuperficie”.
Para el estudio, los investigadores incrustaron la metasuperficie entre dos espejos, conocida como cavidad fotónica, y mostraron que se puede sintonizar el campo magnético artificial cambiando solo el ancho de la cavidad fotónica, eliminando así la necesidad de modificar la distorsión en la metasuperficie. .
Charlie agregó: “Incluso hemos demostrado que se puede apagar el campo magnético artificial por completo en un ancho de cavidad crítico, sin tener que eliminar la distorsión en la metasuperficie, algo que es imposible de hacer en el grafeno o cualquier sistema que emule el grafeno.
“Usando este mecanismo puedes doblar la trayectoria de los polaritones usando una fuerza sintonizable similar a Lorentz y también observar la cuantificación de Landau de las órbitas del ciclotrón de polaritones, en analogía directa con lo que sucede con las partículas cargadas en campos magnéticos reales.
“Además, hemos demostrado que se puede reconfigurar drásticamente el espectro de nivel de Polariton Landau simplemente cambiando el ancho de la cavidad”.
El Dr. Eros Mariani, supervisor principal del estudio, dijo: “Ser capaz de emular fenómenos con fotones que generalmente se piensa que son exclusivos de partículas cargadas es fascinante desde un punto de vista fundamental, pero también podría tener importantes implicaciones para la fotónica. aplicaciones.
“Estamos emocionados de ver a dónde lleva este descubrimiento, ya que plantea muchas preguntas intrigantes que pueden explorarse en muchas plataformas experimentales diferentes en todo el espectro electromagnético”.
Referencia: “Campos pseudo-magnéticos sintonizables para polaritones en metasuperficies deformadas” por Charlie-Ray Mann, Simon AR Horsley y Eros Mariani, 14 de septiembre de 2020, Fotónica de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41566-020-0688-8
