Para que o efeito Kerker ocorra, as partículas precisam ter polarizabilidades elétrica e magnética da mesma força. Esse, Contudo, é muito difícil de alcançar, já que as ressonâncias ópticas magnéticas em pequenas partículas são relativamente fracas. Pesquisadores do Ioffe Institute, em São Petersburgo, mostraram recentemente que um efeito semelhante pode ser obtido quando pequenas partículas tremem no espaço.

"Mesmo que a difusão da luz tenha sido entendida por mais de um século após os trabalhos de Rayleigh, Raman, Landsberg e Mandelstam, continua a ser um desafio fundamental e aplicado para rotear a luz espalhada em nanoescala na direção desejada, "Alexander Poshakinskiy, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "A capacidade de controlar a direção, a frequência e a polarização da luz espalhada são essenciais para o funcionamento dos circuitos ópticos. "

Dispositivos que podem controlar a direção da luz espalhada podem ter inúmeras aplicações úteis, particularmente para a operação de antenas e encaminhamento de luz. Nos anos 1980, pesquisadores teorizaram que um espalhamento direcional de luz pode ser alcançado por meio do chamado efeito Kerker. Este efeito explora essencialmente a interferência dos padrões de emissão de dipolo elétrico e magnético, que têm paridade espacial diferente, produzindo a supressão da dispersão para frente ou para trás quando eles são sobrepostos.

"A realização do efeito Kerker convencional requer que as partículas tenham polarizabilidades elétrica e magnética de mesma intensidade, "Poshakinskiy disse." No entanto, isso é desafiador porque a resposta magnética em frequências ópticas é extremamente fraca. Uma possível solução alternativa é usar grandes nanopartículas de tamanho submicrônico que hospedam ressonâncias Mie elétrica e magnética. Contudo, O efeito Kerker óptico para as partículas menores que o comprimento de onda do meio ainda é inviável. Em nosso trabalho, mostramos que mesmo pequenas partículas, que carecem de resposta magnética quando em repouso, adquirem quando começam a tremer no espaço, permitindo a realização do que chamamos de efeito Kerker optomecânico. "

No efeito Kerker optomecânico, proposto por Poshakinskiy e seu colega Alexander Poddubny, o espalhamento direcional ajustável da luz é obtido para uma partícula que não tem ressonâncias magnéticas porque treme no espaço. O movimento trêmulo do dipolo elétrico no espaço leva ao aparecimento de um dipolo magnético, como se poderia esperar da transformação de Lorentz.

"Mostramos que os dipolos magnético e elétrico induzidos na partícula trêmula pela luz incidente contra-intuitivamente são da mesma ordem quando o espalhamento inelástico é considerado, "Poshakinskiy explicou." A diferença de fase entre os dipolos elétricos e magnéticos é governada pela dependência da frequência da permissividade das partículas. Para uma partícula ressonante, isso permite o controle da direção de espalhamento por meio da sintonia da frequência da luz da ressonância:A luz é espalhada preferencialmente para a frente na ressonância e para trás, afastando-se dela. "

Os pesquisadores mostram que no efeito Kerker optomecânico, a figura de mérito que quantifica quanto da luz é espalhada em uma determinada direção em comparação com todas as outras direções (ou seja, diretividade), pode ser tão alto quanto 5,25. Isso excede a diretividade de 3 atingida no efeito Kerker clássico, devido ao momento quadrupolo elétrico adicional induzido pelo movimento mecânico.

Em seu estudo, Poshakinskiy e Poddubny também introduziram um segundo efeito, ao qual eles se referem como 'o efeito de spin-Hall optomecânico'. Nesse sentido, uma dispersão direcional inelástica de luz, dependendo de sua polarização circular, é realizado por uma pequena partícula trêmula.

"O efeito de spin-Hall optomecânico pode ser alcançado quando uma partícula vibra em torno de uma trajetória circular, em vez de uma linha reta, "Poshakinskiy disse." Nós mostramos que o momento mecânico angular da partícula pode ser transferido para o spin da luz. Então, as ondas eletromagnéticas espalhadas pela partícula trêmula à esquerda e à direita atingem polarização circular oposta. "

As descobertas reunidas por Poshakinskiy e Poddubny sugerem que a interação entre a luz e o movimento mecânico tem uma natureza intrinsecamente multipolar. Essa qualidade pode ser explorada em uma variedade de sistemas, variando de átomos frios a materiais bidimensionais e qubits supercondutores.

"Acreditamos que a proposta optomecânica Kerker abre um novo campo multidisciplinar ao descobrir, pela primeira vez, para nosso conhecimento, uma ligação nada trivial entre optomecânica e nanofotônica, "Poshakinskiy disse." De um ponto de vista prático, os efeitos propostos podem ser usados ​​para projetar dispositivos ópticos em nanoescala não recíprocos. "

Não reciprocidade óptica, o que significa que a luz é transmitida para a frente e para trás através de um circuito óptico de forma diferente, é crucial para o processamento de sinal óptico. A maioria dos dispositivos optomecânicos não recíprocos existentes são baseados em ressonadores ópticos, que limitam seu tamanho mínimo a submícrons. Os resultados coletados por Poshakinskiy e Poddubny mostram que a não reciprocidade optomecânica sintonizável também pode ocorrer em nanoescala ao usar pequenas partículas trêmulas com polarizabilidade ressonante.

"A não reciprocidade óptica também é um ingrediente chave para o projeto de circuitos topológicos fotônicos, "Poshakinskiy acrescentou." Em uma série de partículas trêmulas, pode-se esperar uma propagação robusta de desordem de luz e som, garantida pela modulação no tempo das propriedades ópticas e mecânicas. "

O estudo realizado por Poshakinskiy e Poddubny mostra como o espalhamento direcional ajustável da luz pode ser alcançado em nanoescala, introdução dos efeitos optomecânicos Kerker e spin-Hall. No futuro, suas descobertas podem ter várias aplicações interessantes, por exemplo, informando o projeto de circuitos topológicos não recíprocos. Os pesquisadores agora planejam demonstrar o efeito Kerker optomecânico em experimentos de laboratório.

"A prova de conceito seria a observação do retroespalhamento direcional por objetos trêmulos, que pode ser realizado mesmo longe de ressonâncias materiais, "Poshakinskiy disse:" Acreditamos que isso pode ser feito em uma variedade de sistemas, por exemplo, pontos quânticos semicondutores, dichalcogenetos metálicos de transição ou grafeno. Contudo, a principal característica do efeito Kerker optomecânico é a possibilidade de mudar a direção de espalhamento entre para frente e para trás. Isso requer partículas com ressonâncias extremamente nítidas em sua resposta eletromagnética. Nossas estimativas mostram que tal comutação pode ser realizada para átomos frios em armadilhas ópticas ou qubits supercondutores em circuitos de radiofrequência. "

© 2019 Science X Network