Basit yarı iletken filmler ışığın ön-arka simetrisini kırar

Işık genellikle bir malzemeyle ister önden ister arkadan girsin aynı şekilde etkileşime girer; her iki taraftan da aynı şekilde çalışan polarize güneş gözlükleri gibi. Cornell araştırmacıları bu simetriyi kırmanın, fotonik ve kuantum bilgi işleme için yeni olanaklar açmanın basit bir yolunu gösterdi.

Optik karşılıklılık, yani bir sistemin ışığa hangi tarafın baktığına bakılmaksızın aynı şekilde tepki vermesi prensibi çoğu merceğin, aynanın ve diğer optik cihazların temelini oluşturur. Yeni bir çalışma yayınlandı Doğa Malzemeleri bazı malzemelerin doğrusal polarize ışığın karşılıklı olmayan emilimi ve emisyonu sergileyecek şekilde tasarlanabileceğini göstermektedir.

“Güneş ışığının yatay çıtalarından geldiğini, ancak karşı taraftan aynı panjurların sanki çıtalar dikeymiş, tamamen ters çevrilmiş gibi ışığın içeri girdiğini hayal edin.” dedi ilgili yazar, Cornell Duffield Mühendislik Koleji’nde malzeme bilimi ve mühendisliği profesörü Richard Robinson. “Bu tür bir davranış elde etmek için genellikle karmaşık meta malzemelere veya harici manyetik alanlara ihtiyacınız vardır, ancak bunun basit, çözümle işlenmiş yarı iletken nanokümelerle elde edilebileceğini gösterdik.”

Asimetri nasıl ortaya çıkıyor?

Keşif, Robinson’un laboratuvarında yıllarca süren çalışmaların sonucunda ortaya çıktı. “sihirli boyutlu kümeler”- hassas bir şekilde organize edilmiş spiral yapılar halinde kendiliğinden birleşen ve ışığı bükme özelliklerine sahip ince filmler üretebilen nanomalzemeler.

Bazı ışık dalgaları doğrusal polarizasyon olarak bilinen düz bir çizgide salınırken, diğerleri tirbuşon gibi dönerek dairesel polarizasyon oluşturur. İnce filmlere dikkatlice işlendiğinde, sihirli boyutlu kümeler, her iki polarize ışık biçimiyle alışılmadık derecede güçlü bir şekilde etkileşime giriyor ve aynı anda güçlü doğrusal ve kiral dikroizm sergiliyor.

Bu kombinasyon, baş yazar ve doktora öğrencisi Thomas Ugras’ın, iki optik etki arasında daha önce gözden kaçan bir etkileşimi tanımlamasına olanak sağladı. Polarize ışığın maddeyle nasıl etkileşime girdiğini açıklayan matematiği inceleyerek, karşılaştırılabilir büyüklükteki her iki etkileşime sahip malzemelerin yön asimetrisi sergilemesi gerektiğini fark etti.

Bu fikir gözden kaçırılmıştı çünkü dairesel optik etkiler genellikle doğrusal olanlardan çok daha zayıftı; bu da araştırmacıların herhangi bir yön asimetrisinin gözlemlenemeyecek kadar küçük olacağını varsaymalarına yol açtı. Cornell araştırmacıları bu yön asimetrisini kadmiyum sülfür, kadmiyum selenit ve kadmiyum tellürden yapılmış filmlerde gösterdi; bu da etkinin çeşitli malzemelerde geniş çapta erişilebilir olabileceğini ima etti.

Bakış açısına göre değişen filmler

Ugras, yön bağımlılığının karşılıklı olmayan görüntü oluşturma gibi uygulamalar için kullanılabileceğini söyledi.

“Bir malzemeyi bir alt tabaka üzerinde kontrol edip desenlendirirseniz, onun kiral kullanımını ve yönelimini mekansal olarak değiştirirseniz, önden mi arkadan mı bakıldığına bağlı olarak benzersiz görünen bir film oluşturmak mümkündür.” dedi Ugras. “Bunu göstermek için önden ‘Y’, arkadan ‘N’ yazan bir film gösteriyoruz. Bu konsept, örneğin benzersiz görünümlere sahip karmaşık hologramlar oluşturmak için spektral varyasyon veya emisyonla kolayca genişletilebilir.”

Bu keşif, görüntü oluşturmanın ötesinde, bilgiyi yöne bağlı olarak farklı şekilde yönlendiren kompakt optik bileşenlerin yanı sıra optik şifreleme ve polarizasyona dayalı kuantum teknolojilerine yönelik yeni yaklaşımları da mümkün kılabilir.

“Burada gerçekten heyecan verici olan şey, aynı işlevselliğin optik efektlerin nispeten basit malzemelerle karıştırılmasından da ortaya çıkabilmesidir.” Robinson şunları söyledi. “Şaşırtıcı olan, yeni bir özelliğe sahip yeni bir malzeme keşfetmemiz değil, bu yeni optik tepkinin, araştırmacıların zaten nasıl yapılacağını bildiği malzemelerde ortaya çıkabilmesidir. Bu gerçekleşme, karşılıklı olmayan fotonik sistemlerin tasarlanması için çok daha geniş bir alan açıyor.”