Из симметричной сферы создали источник света с круговой поляризацией ( 3 фото )

Wikimedia commons

Физикам удалось получить свет с круговой поляризацией от сферического симметричного источника размером несколько нанометров. В основе метода лежит катодолюминесценция, а характер поляризации зависит от положения используемого электронного луча. Помимо фундаментального значения, способ может помочь в создании квантовых компьютеров. Статья опубликована в ACS Nano.

Электромагнитное волны по своей природе поперечные, то есть в луче света колебания идут поперек его оси. В естественном свете, как от Солнца или лампы накаливания, колебания не лежат в одной плоскости, а распределены хаотично по кругу, и такие волны называют неполяризованными. Однако если колебания идут в одном направлении или в нескольких, то такой свет точно будет поляризованным.

Поляризация при этом бывает разной. Если плоскость колебаний всего одна, ее называют линейной. Если две волны с разной плоскостью поляризации совместить перпендикулярно друг другу, но со сдвигом фазы, то они сложатся, и вектор электрического поля будет постоянно описывать круг. Такую поляризацию называют круговой. В настоящий момент круговой поляризации света в повседневной жизни почти нет практического применения, и только некоторые животные способны ее замечать — например, несколько видов морских ракообразных.

Однако этот эффект может пригодиться в перспективной электронике, в том числе квантовых компьютерах. Например, с его помощью можно влиять на электроны внутри квантовых точек. Один из способов получить волну с круговой поляризацией — использовать хиральный (несимметричный) на масштабах меньше длины волны источник света. Поэтому в исследованиях в области квантовых вычислений к обычному светящемуся источнику, например, однофотонному генератору, подсоединяют хиральную оптическую наноантенну.

Таеко Матсукато (Taeko Matsukata) из Токийского технологического института и его коллеги придумали, как добиться управляемой наноскопической люминесценции без использования антенн прямо от источника. В качестве источников света использовали кремнивые сферы диаметром 100 нанометров, которые начинают светиться под действием потока свободных электронов. Это явление называется катодолюминесценция: в ней нет ничего нового — по этому принципу работали кинескопные телвизоры, у которых круговой поляризации не наблюдалось.

Находка японских ученых заключается в том, что они смогли управлять поляризацией света за счет выбора места и угла падения электронного луча.


Слева — карта испускания света с левой и правой круговой поляризации в разных конфигурациях эксперимента, справа — влияние пучка электронов на дипольный момент

Taeko Matsukata et al. / ACS Nano, 2020

Электроны влияли на дипольный момент наносферы, нарушая симметрию, делая ее хиральной. В зависимости от комбинации угла облучения и энергии сфера испускала свет с разной поляризаций, в том числе, при некоторых конфигурациях, одна ее сторона светилась с правой круговой поляризацией, а вторая — с левой.


Желтым — электронный пучок, прозрачная — кремниевая наносфера, красным и синим — свет с левой и правой круговой поляризацией

Taeko Matsukata et al. / ACS Nano, 2020

Описанный метод получения света с заданной поляризацией стабилен и точен: в ходе эксперимента удавалось добиться произвольной разницы фаз, нуля до пи, и потому технологии может найтись применение в элементарной базе вычислительной техники будущего.

У поляризованного света есть ряд особых свойств: например, поляризация позволяет преодолеть дифракционный предел и увидеть микроскопические детали.

Василий Зайцев

Материал взят: Тут