Magnet-free reconfigurable alterspin photonics at optical frequencies
Questo articolo dimostra il primo sistema fotonico alterspin magnet-free e riconfigurabile nell'intervallo visibile-vicino infrarosso, utilizzando un cristallo fotonico dielettrico con una goccia liquida per controllare dinamicamente la texture alterspin senza bias magnetico.
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La luce trasporta molto più della semplice luminosità; trasporta una torsione nascosta, una proprietà nota come spin. Proprio come una trottola può ruotare in senso orario o antiorario, le onde luminose possono torcersi in due direzioni opposte, creando ciò che gli scienziati chiamano polarizzazione circolare destrorsa o sinistrorsa. Per decenni, i ricercatori hanno cercato modi per controllare questa torsione, in particolare per creare schemi in cui la direzione dello spin si inverte avanti e indietro in una sequenza regolare e alternata. Questa specifica disposizione, nota come texture alterspin, è un fenomeno mutuato dal mondo del magnetismo, dove gli spin magnetici si allineano in schemi alternati. Nel mondo magnetico, creare tali schemi richiede solitamente magneti o campi magnetici forti. Tuttavia, quando gli scienziati provano a spostare questo concetto alla velocità della luce, dove le frequenze sono incredibilmente alte, gli strumenti magnetici consueti smettono di funzionare. I materiali magnetici che rispondono a questi campi diventano inefficaci, e i minuscoli magneti necessari per polarizzare il sistema semplicemente non esistono alla scala delle onde luminose. Ciò ha lasciato un vuoto nella nostra capacità di creare questi schemi di spin alternati utilizzando la luce, specialmente nello spettro visibile in cui vediamo il mondo intorno a noi.
Un team di ricercatori della National University of Singapore ha ora colmato questo vuoto creando un sistema che genera questi schemi di spin alternati senza utilizzare alcun magnete. Invece di fare affidamento sulle forze magnetiche, hanno costruito un sottile foglio sospeso di nitruro di silicio, un materiale trasparente spesso usato nell'elettronica, e hanno inciso una griglia precisa di fori quadrati in esso. Questa griglia agisce come un cristallo fotonico, una struttura che guida la luce in modi specifici. La chiave della loro scoperta risiede nel modo in cui hanno trattato i due lati di questo foglio. Posizionando una singola goccia d'acqua su un lato del foglio sospeso, lasciando l'altro lato esposto all'aria, hanno creato uno squilibrio. Questa semplice differenza nell'ambiente sopra e sotto il foglio ha rotto una specifica simmetria che di solito mantiene lo spin della luce neutro. Di conseguenza, la luce che attraversa la griglia si è organizzata in un modello distinto in cui la direzione dello spin si inverte quattro volte muovendosi lungo un cerchio, creando la desiderata texture alternata.
I ricercatori hanno dimostrato che questo modello non è solo una caratteristica statica del materiale, ma qualcosa che possono controllare attivamente e riscrivere. Spostando la goccia d'acqua da un lato del foglio all'altro, potevano invertire istantaneamente la direzione del modello di spin. Se l'acqua era sopra, la luce si torceva in una sequenza; quando la goccia veniva spostata sul fondo, l'intero modello passava alla sequenza opposta. Potevano anche cancellare il modello interamente rimuovendo l'acqua, riportando il sistema a uno stato in cui non esisteva alcuno spin alternato. Questo livello di controllo è significativo perché i tentativi precedenti di creare effetti simili si basavano su materiali o strutture fisse che non potevano essere cambiati una volta costruiti. In questo nuovo sistema, il modello è determinato dall'ambiente, permettendo di scriverlo, cancellarlo e invertirlo semplicemente manipolando una goccia di liquido.
Per garantire di stare osservando realmente questo fenomeno e non un artefatto della loro configurazione, il team ha misurato la luce attraverso una gamma di lunghezze d'onda da 740 a 800 nanometri, che copre la parte rosso profondo dello spettro visibile e la luce vicino infrarossa. Hanno scoperto che il modello alternato a quattro periodi rimaneva coerente in tutto questo intervallo. Hanno anche sviluppato un modo per quantificare la forza di questo modello, confermando che l'effetto era robusto e riproducibile. Lo studio ha esplicitamente escluso l'idea che il modello fosse causato dalla forma fisica dei fori o da imperfezioni accidentali nella produzione, dimostrando invece che l'effetto era guidato interamente dalla differenza tra i materiali su entrambi i lati del foglio. Dimostrando che un sistema completamente dielettrico e privo di magneti può generare e controllare queste complesse texture di spin, i ricercatori hanno aperto una nuova strada per lo sviluppo di dispositivi ottici in grado di manipolare la luce in modi precedentemente ritenuti richiedenti campi magnetici. Questo lavoro suggerisce che le tecnologie future per l'elaborazione delle informazioni con la luce potrebbero essere costruite utilizzando strutture semplici e riconfigurabili piuttosto che componenti magnetiche complesse e fisse.
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