Cientistas do Instituto de Tecnologia e do Instituto de Ciências Fotônicas de Tóquio desenvolveram um método para gerar luz polarizada circularmente a partir da estrutura simétrica final:a esfera. Sua abordagem envolve quebrar a simetria inerente da esfera pela excitação do feixe de elétrons, o que permite controlar com precisão a fase e a polarização da luz emitida. Este método pode ser usado para codificar informações na direção de fase e polarização da luz polarizada circularmente, permitindo novas tecnologias de comunicação quântica e criptografia.

As ondas de luz possuem uma propriedade chamada polarização, que tem um enorme potencial nas tecnologias de comunicação e informação. Esta propriedade está relacionada à orientação das oscilações perpendiculares à direção de propagação da onda. Os tipos mais simples de polarização são estáticos, por exemplo, polarização puramente vertical ou horizontal. Contudo, há polarização circular também, em que a orientação da oscilação gira continuamente à medida que a onda se propaga.

A luz polarizada circular (CPL) é um ingrediente chave das tecnologias de próxima geração, como comunicação quântica e criptografia. CPL pode ter polarização para destros ou canhotos, dependendo da direção em que as oscilações giram. Esta característica "binária" de polarização circular pode ser usada para codificar informações em luz de uma maneira robusta; em outras palavras, é improvável que um receptor confundisse CPL para destros com CPL para canhotos. Assim, o desenvolvimento de emissores capazes de produzir CPL é um campo ativo de pesquisa.

Um método emergente para produzir CPL é usar estruturas aquirais bidimensionais. A palavra "aquiral" é semelhante a "simétrico, "o que significa que a imagem espelhada de uma estrutura aquiral é indistinguível do objeto original. Mas como um objeto simétrico emite luz com dois modos diferentes de polarização circular? A resposta é" quebra de simetria externa, "pelo qual excitações localizadas controladas ou esquemas de detecção especialmente projetados fazem com que estruturas aquirais produzam CPL com a orientação desejada. Em um estudo recente publicado em ACS Nano , cientistas da Tokyo Tech, Japão e ICFO, Espanha, descobriram uma maneira de gerar CPL a partir da estrutura simétrica final - a esfera.

Nanopartículas esféricas funcionam como antenas omnidirecionais e, sendo aquiral, requerem quebra de simetria externa para produzir CPL. Em sua abordagem inovadora, a equipe de cientistas irradiou uma nanopartícula esférica com feixes de elétrons para desencadear um fenômeno conhecido como "catodoluminescência". Este processo, que é a base das telas de televisão do século 20, envolve elétrons de alta energia colidindo com o material e excitando vários elétrons locais para estados de energia mais elevados, que então emitem esse excesso de energia como fótons. Professor Associado Takumi Sannomiya, quem liderou o estudo, observações, "O uso de feixes de elétrons é uma forma versátil de estimular modos ópticos precisos e apresenta vantagens potenciais para a geração sob demanda de CPL."

Contudo, ao usar uma esfera, um esquema de excitação adequadamente projetado é necessário para atingir a quebra de simetria desejada. Os cientistas não propuseram nenhum, mas duas maneiras diferentes de produzir CPL para canhotos e destros a partir de uma esfera. A primeira forma envolve a manipulação das diferenças de fase entre dois dipolos elétricos induzidos na esfera por um feixe de elétrons. A outra maneira é alavancar a interferência produzida entre dipolos magnéticos e elétricos.

Para visualizar experimentalmente o CPL gerado por suas nanopartículas esféricas, os cientistas desenvolveram uma técnica de polarimetria chamada STEM-CL quadridimensional, abreviação de "microscopia eletrônica de transmissão de varredura-catodoluminescência". Notavelmente, os resultados experimentais estavam quase perfeitamente alinhados com as previsões de análises teóricas rigorosas. Animado com os resultados, Sannomiya conclui, "Nossa abordagem tem grande potencial para o desenvolvimento de fontes de CPL personalizáveis, pelo qual a fase e o grau de polarização da luz emitida podem ser facilmente controlados através do posicionamento do feixe de elétrons. "A versatilidade deste novo método pode ser de grande utilidade para codificar informações sobre a fase e polarização dos fótons, permitindo novos métodos de comunicação e criptografia.