平方圓打破球的對稱性以控制光的偏振

東京工業大學和光子科學研究所的科學家們開發了一種從最終對稱結構：球體產生圓偏振光的方法。他們的方法涉及通過電子束激發破壞球的固有對稱性，從而可以精確地控制發射光的相位和偏振。此方法可用于在圓偏振光的相位和偏振方向上編碼信息，從而實現新穎的量子通信和加密技術。

光波具有稱為極化的特性，在通信和信息技術中具有巨大的潛力。該特性與垂直于波的傳播方向的振蕩的取向有關。極化的簡單類型是靜態的，例如，純垂直或水平極化。但是，也存在圓極化，其中，隨著波傳播，振蕩的方向連續旋轉。

圓偏振光的光(CPL)是下一代的技術，例如量子通信和加密的關鍵成分。CPL可以具有右旋或左旋極化，具體取決于振蕩旋轉的方向。圓偏振的這種“二進制”特性可用于以魯棒的方式對光中的信息進行編碼。換句話說，接收者不太可能將右手CPL誤認為左手CPL。因此，開發能夠產生CPL的發射器是一個活躍的研究領域。

產生CPL的一種新興方法是使用二維非手性結構。單詞“非手性”類似于“對稱”，這意味著非手性結構的鏡像與原始對象是無法區分的。但是，對稱物體如何發出具有兩種不同圓偏振模式的光?答案是“外部對稱性破壞”，由此受控的局部激發或經過特殊設計的檢測方案會導致非手性結構產生具有所需方向的CPL。在ACS Nano上發表的最新研究中，日本東京科技大學和西班牙ICFO的科學家們找到了一種從最終對稱結構(球體)生成CPL的方法。

球形納米粒子充當全向天線，并且非手性需要打破外部對稱性才能產生CPL。用他們的新穎方法，科學家團隊用電子束照射了球形納米顆粒，從而觸發了一種稱為“陰極致發光”的現象。此過程是20世紀電視顯示器的基礎，涉及高能電子撞擊到材料上并將多個局部電子激發到更高的能態，然后將這些過量的能量作為光子發射出去。主持這項研究的三宮拓三副教授說：“電子束的使用是激發精確光學模式的一種通用方法，并為按需生成CPL帶來了潛在的優勢。”

但是，當使用球體時，需要適當設計的激勵方案來實現所需的對稱性破壞。科學家們提出了一種從球體產生左手和右手CPL的方法，而不是一種，而是兩種不同的方法。第一種方法涉及操縱由電子束在球體中感應的兩個電偶極子之間的相位差。另一種方法是利用磁偶極子和電偶極子之間產生的干擾。

為了實驗地觀察球形納米顆粒產生的CPL ，科學家開發了一種稱為四維STEM-CL的旋光技術，該技術是“掃描透射電子顯微鏡-陰極發光”的縮寫。值得注意的是，實驗結果幾乎與嚴格的理論分析的預測完全吻合。Sannomiya對此結果感到興奮，得出結論：“我們的方法在開發可定制CPL光源方面具有巨大潛力，因此可以通過電子束的定位輕松控制發射光的相位和偏振度。” 這種新穎方法的多功能性可以極大地用于編碼有關相位和極化的信息 的光子，實現了新的通信和加密方法。