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在人工合成的磁场运动的神奇光子

发布:WD114EVA阅读:404时间:2020-9-18 19:02:35

在人工合成的磁场运动的神奇光子

University of Exeter的研究人员开发出一种利用"合成"洛伦兹力操纵光的方法,这和自然界中的很多现象有关,比如北极光。这项技术使研究人员能够创建可调谐的人造磁场,使光子能够模拟真实磁场中带电粒子的动态过程。这项研究可能会影响未来的光子器件,因为它提供了一种在衍射极限下操纵光束的新方法。


图1应变蜂窝状超表面会对光产生一个人造磁场,可以通过将超表面嵌入到光学腔波导中调整光束。University of Exeter 供图。

当带电粒子(如电子)通过磁场时,它们会感受到洛伦兹力,带电粒子会受到电场力和磁场力的共同作用。这会导致带电粒子的运动轨迹围绕磁力线弯曲;它可以解释很多有趣的现象,比如北极光和量子霍尔效应。由于光子不带电荷,所以不能用真正的磁场直接控制它们。但是一项10年前的发现启发了研究人员,即电子通过应变石墨烯薄膜传播的方式就像受到磁场的影响一样。目前他们通过扭曲蜂窝状超表面来为光束建立人造磁场。

这项技术的主要缺点是调整磁场需要精确的改变应变的模式,这是一个极具挑战性的工作。特别是对光子结构来说,更是一个不可能完成的任务。但是研究人员提出了一个解决方案来克服状态保持的缺乏性。

“这些超表面支持混合光与物质的激发,称为极化激元,它们被困在超表面上” 首席科学家和这项研究的作者Charlie-Ray Mann说。“然后,它们被超表面的形变偏转,其方式与电粒子在磁场中偏转的方式类似。通过利用极化激元的混合特性,我们展示了可以通过改变超表面周围的真实电磁环境来调整人造磁场。”

研究人员将超表面嵌入两个镜面(称为光学腔)之间,并表明可以通过改变光子腔的宽度来调整磁场,从而没有必要通过修改超表面的形变来调整磁场。Mann 说:“我们甚至已经证明,研究人员可以在临界光学腔的宽度完全关闭人造磁场,而不必消除超表面的形变。这是在石墨烯或任何模拟石墨烯的系统里无法实现的。” 他说通过这种机制, 极化激元的轨迹可以使用可调谐的类洛伦兹力弯曲,还可以观察极化激元回旋加速器轨道的朗道量化,这与在真实磁场中带电粒子情况非常类似。

“此外,我们已经表明,研究人员可以简单地改变光学腔宽度,就可以明显地改变极化激元朗道能级谱,Mann说。” 这项研究的首席导师Eros Mariani还补充说,“从根本上讲,能够用光子来模拟带电粒子是令人兴奋的,因为通常这些光子被认为是不带电的粒子。这项研究会对光子学的应用产生重要的影响。”

这项研究成果发表在《Nature Photonics》上(www.doi.org/10.1038/s41566-020-0688-8).

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