Como pode um feixe de luz dizer a diferença entre esquerda e direita? Na Universidade de Tecnologia de Viena (TU Wien) minúsculas partículas foram acopladas a uma fibra de vidro. As partículas emitem luz para a fibra de tal forma que ela não viaja em ambas as direções, como seria de esperar. Em vez de, a luz pode ser direcionada para a esquerda ou para a direita. Isso se tornou possível através do emprego de um notável efeito físico - o acoplamento spin-órbita da luz. Este novo tipo de switch ótico tem o potencial de revolucionar a nanofotônica.

Os pesquisadores já publicaram seus trabalhos na revista Ciência .

Nanopartículas de ouro em fibras de vidro

Quando uma partícula absorve e emite luz, essa luz não é emitida apenas em uma direção. "Uma partícula no espaço livre sempre emitirá tanta luz em uma direção específica quanto emite na direção oposta", diz o professor Arno Rauschenbeutel (TU Wien). Sua equipe agora conseguiu quebrar essa simetria de emissão usando nanopartículas de ouro acopladas a fibras de vidro ultrafinas. A luz do laser incidente determina se a luz emitida pela partícula viaja para a esquerda ou para a direita na fibra de vidro.

Bicicletas e hélices de avião

Isso só é possível porque a luz tem um momento angular intrínseco, o giro. Semelhante a um pêndulo que pode oscilar em um plano particular ou mover-se em círculos, uma onda de luz pode ter diferentes direções de oscilação. Se tiver uma direção vibracional bem definida, é chamada de "onda polarizada". "Uma onda plana simples tem a mesma polarização em todos os lugares", diz Arno Rauschenbeutel, "mas quando a intensidade da luz muda localmente, a polarização também muda. "

Usualmente, a luz oscila em um plano perpendicular à sua direção de propagação. Se a oscilação for circular, isso é semelhante ao movimento da hélice de um avião. Seu eixo de rotação - correspondendo ao spin - aponta na direção de propagação. Mas a luz que se move através de fibras de vidro ultrafinas tem propriedades muito especiais. Sua intensidade é muito alta dentro da fibra de vidro, mas diminui rapidamente fora da fibra. "Isso leva a um componente de campo adicional na direção da fibra de vidro", diz Arno Rauschenbeutel. O plano de rotação da onda de luz gira 90 graus. "Então, a direção de propagação é perpendicular ao spin, como uma bicicleta, movendo-se em uma direção perpendicular aos eixos das rodas. "

Ao verificar a direção de rotação das rodas - no sentido horário ou anti-horário - podemos dizer se uma bicicleta se move para a direita ou para a esquerda quando olhamos para ela de lado. É exatamente o mesmo com os feixes de luz na fibra de vidro ultrafina. O sentido de rotação do campo de luz está associado à direção do movimento. Esse tipo de acoplamento é uma consequência direta da geometria da fibra de vidro e das leis da eletrodinâmica. O efeito é chamado de "acoplamento spin-órbita da luz".

Rotação de acoplamento e direção do movimento

Quando uma partícula acoplada à fibra de vidro é irradiada com um laser de tal forma que emite luz com um determinado sentido de rotação, a luz emitida, portanto, se propagará em apenas uma direção particular dentro da fibra de vidro - para a esquerda ou para a direita. Este efeito agora foi demonstrado usando uma única nanopartícula de ouro em uma fibra de vidro. A fibra é 250 vezes mais fina que um fio de cabelo humano; o diâmetro da partícula de ouro é até quatro vezes menor. Tanto o diâmetro da fibra quanto da partícula são ainda menores do que o comprimento de onda da luz emitida.

“Essa nova tecnologia deve ser facilmente disponibilizada em aplicações comerciais. Já agora, todo o experimento cabe em uma caixa de sapatos ", diz Arno Rauschenbeutel. "O método poderia ser aplicado a circuitos ópticos integrados. Esses sistemas podem um dia substituir os circuitos eletrônicos que usamos hoje."