Sıkışan ışık nano ölçekte mıknatıslanma üretir

Cornell araştırmacıları, ışığı hapseden özel olarak tasarlanmış bir meta-yüzey kullanarak, harici mıknatıslar veya manyetik malzemeler kullanmadan güçlü statik manyetik alanlar üretmenin yeni bir yolunu gösterdi; spintroniği, kuantum ve fotonik hesaplamayı ve veri depolamayı geliştirebilecek bir yaklaşım.

‘da yayınlanan bir makalede İleri BilimShivaksh Rawat, Ph.D. Uygulamalı ve Mühendislik Fiziği Okulu’nda J. Preston Levis Mühendislik Profesörü Gennady Shvets ve aynı grupta doktora sonrası araştırmacı olan Samyobrata Mukherjee ile birlikte çalışan aday, “zaman arayüzü” olarak adlandırılan yeni bir ışık manipülasyonu tekniğinin, optik bir dalganın enerjisinin bir kısmını statik mıknatıslanmaya dönüştürmek için nasıl kullanılabileceğini anlattı.

Bir ışık dalgası uzamsal bir arayüze maruz kaldığında (örneğin, havada ve sonra suda seyahat ettiğinde), ışığın bir kısmı yüzeyden yansıtılırken geri kalanı onun içinden iletilir. Benzer şekilde, bir ışık dalgası bir zaman arayüzüne (yayılma ortamının optik özelliklerinde kırılma indeksindeki bir artış veya azalma gibi ani bir değişiklik) maruz kaldığında, aynı zamanda yansıyan ve iletilen dalgalar da üretir.

Ancak bir zaman arayüzü aynı zamanda sistemin statik sıfır frekans modunu da harekete geçirebilir; diğer bir deyişle, ışığın hızla değişen manyetik alanının bir kısmını durdurup, onu salınmaya devam etmek yerine yerinde kalan sabit bir manyetik alan modeline dönüştürmek.

Sıkışan ışığı manyetizmaya dönüştürmek

Bir zaman arayüzü oluşturmak için araştırmacılar, orta kızılötesi ışığı yakalayacak şekilde tasarlanmış, dikkatlice tasarlanmış dikdörtgen bir germanyum nanoyapı dizisi olan 2 boyutlu bir meta yüzey kullandılar. Araştırmacılar, orta-kızılötesi ışık hala yapının içindeyken metayüzey yoğun, kısa süreli yüksek enerjili (yakın-kızılötesi) foton patlamasıyla aydınlatılırsa ne olacağını merak ettiler.

Modellemeleri, yakın kızılötesi ışığın germanyum atomlarından elektronlar saldığını, geriye “elektron delikleri” ve birçok serbest elektron bıraktığını ortaya çıkardı. Yakın kızılötesi ışık tarafından elektron deliği çiftlerinin hızlı bir şekilde üretilmesi, ışığın kırılma indeksinde, sıkışan orta kızılötesi ışık için bir zaman arayüzü görevi gören zamana bağlı bir değişiklik yaratabilir.

Rawat, “Diğer nano ölçekli mıknatıslanma yöntemlerine göre avantajları olan, lokalize serbest taşıyıcı üretimi olarak bilinen bir yaklaşımı kullandık” dedi. “Çalışmamızın önemli katkılarından biri de yaklaşımımızın materyalden bağımsız olmasıdır. Metalik olmayan herhangi bir yüzey işe yarayacaktır.”

Kısa ama kalıcı bir alan

Zaman arayüzü sırasında, yakalanan ışıktaki başlangıç ​​enerjisinin bir kısmı yeni kırmızıya kayan ışık dalgalarına kayarken geri kalanı, sıcak noktalarda kalıcı bir manyetik alanı sürdüren akım döngülerini destekleyen dolaşımdaki serbest elektronların kinetik enerjisi olarak yakalanır. Kayıplar olmadığında, bu mıknatıslanma süresiz olarak devam edecekti, ancak normal koşullar altında bile manyetik alan yaklaşık 300 femtosaniye veya kabaca saniyenin 10 trilyonda üçü kadar sürdü. Bu olağanüstü derecede kısa gibi görünse de, onu yaratan orta-kızılötesi ışık dalgasının yaklaşık 20 döngüsüne eşittir.

Rawat, “Çalışmamız, geleneksel mıknatıslar yerine ışık kullanarak güçlü manyetik alanlar yaratmaya yönelik temelde yeni bir yöntem ortaya koyuyor” dedi. “Tasarlanmış bir metayüzeyin optik özelliklerini hızlı bir şekilde değiştirerek, geçen bir ışık dalgasının bir kısmını, ışık geçtikten sonra kalan lokalize bir manyetik alana dönüştürmeyi başardık. Mevcut birçok yöntemden daha verimli ve oldukça lokalize bir yaklaşım kullandık ve çalışmamız, hızla değişen optik malzemelerde enerjinin nasıl yeniden dağıtıldığını açıklamaya yardımcı oluyor.”

Işığın hem bilgiyi iletebildiğini hem de manyetizma yaratabildiğini anlayarak bu çalışma, fotonik ve manyetizmanın kesiştiği noktada yeni araştırma yönleri açabilir. Zamanla değişen fotonikleri ilerletmenin ötesinde, araştırma spintronik, manyetik veri depolama, fotonik ve kuantum hesaplama ve manyetik ortamların hassas kontrolü için önemli çıkarımlara sahip olabilir.