Photonen machen den Dreh, und Wissenschaftler können es jetzt messen

Anonim

Forscher am College of Science and Engineering der Universität von Minnesota haben die Drehkraft oder das Drehmoment gemessen, die durch Licht auf einem Siliziumchip erzeugt werden. Ihre Arbeit ist vielversprechend für Anwendungen wie miniaturisierte Gyroskope und Torsionssensoren, um das Magnetfeld zu messen, was erhebliche Auswirkungen auf Industrie und Verbraucher haben kann.

Die neue Studie mit dem Titel "Optomechanische Messung von Photonen-Spin-Drehimpuls und optischem Drehmoment in integrierten photonischen Vorrichtungen" wurde in der Zeitschrift Science Advances der amerikanischen Gesellschaft für die Förderung der Wissenschaften veröffentlicht. Die Autoren sind University of Minnesota Abteilung für Elektrotechnik und Computer Engineering Associate Professor Mo Li, Doktorand Li He und Post-Doktorand Huan Li.

Das Drehmoment im Zusammenhang mit Licht stammt aus dem Spin-Drehimpuls von Photonen (Lichtteilchen), und seine Messung ist ein mechanischer Beweis für die Quantennatur von Licht. Obwohl solche Messungen in Systemen mit viel größerem Maßstab durchgeführt wurden, wurden die neuesten Ergebnisse innerhalb eines Mikrometer-großen Wellenleiters - ein dünner Draht, der Licht führt - erreicht und die Verwendung eines optischen Drehmoments zur Induktion einer Rotationsbewegung in einer mechanischen Vorrichtung im Mikrobereich demonstriert.

Polarisiertes Licht und optisches Drehmoment

Licht ist eine elektromagnetische Welle und sein elektrisches Feld kann frei in jede Richtung schwingen. Dies nennt man die Polarisation des Lichts. Ihre Polarisations-Sonnenbrille und die Brille, die Sie tragen, um 3D-Filme zu sehen, arbeiten mit den Polarisationseigenschaften von Licht.

In einem Polarisationstyp, der als zirkulare Polarisation bezeichnet wird, rotiert das elektrische Lichtfeld in einem Kreis, aufgrund dessen die Photonen Spin-Drehimpuls haben. Die Theorie legt nahe, dass ein solcher Spin-Drehimpuls zu einem mechanischen Drehmoment auf die Objekte führt, die mit dem zirkular polarisierten Licht wechselwirken.

Während optische Kräfte wie der Strahlungsdruck für eine Weile untersucht und nutzbar gemacht wurden, sind der Drehimpuls und die von ihm induzierte Kraft, das optische Drehmoment, relativ unerforscht geblieben. Die Polarisation von Licht spielt eine entscheidende Rolle in der optischen Kommunikation. Jedes Mal, wenn sich der Polarisationszustand ändert, tauschen Photonen einen Drehimpuls mit der Vorrichtung aus, wodurch ein optisches Drehmoment induziert wird.

Die Messung und Nutzung des Drehimpulses und das daraus resultierende optische Drehmoment könnten Wissenschaftlern neue Einblicke in die Steuerung und Manipulation von Licht für neue Technologien geben.

Um der Arbeit von Professor Mo Li und seinem Team einen historischen Kontext zu geben, bedenken Sie folgendes: Der Drehimpuls des Lichts wurde erstmals in der Mitte der 1930er Jahre (zu Beginn der Quantentheorie des Lichts) von Richard Beth aus Princeton gemessen Universität und Worcester Polytechnic Institute. Sein Experiment misst das optische Drehmoment und bestätigt, was bisher theoretisch vorhergesagt wurde: Photonen können Drehimpulse haben. Er stellte sein Experiment auf, um den Spin-Drehimpuls von Photonen im Hochvakuum zu messen, wobei die Messungen auf der Rotation einer zwei Zoll großen Wellenplatte basieren - eine Vorrichtung, die den Polarisationszustand des durchtretenden Lichts verändern kann. Als ein Beweis für die technische Schwierigkeit des Aufbaus des Experiments gab es nur wenige weitere Experimente zur Messung des optischen Drehmoments und des Drehimpulses.

Die Messung von Drehimpuls und optischem Drehmoment

Professor Mo Li und sein Team stellten ein integriertes optomechanisches Bauelement auf einem Siliziumchip her, wobei das Kernelement des Bauelements ein Wellenleiter war, der nur 400 nm breit und 340 nm hoch war (anders als die zwei Zoll große Wellenplatte, die Beth verwendete) eine Schnur vom Substrat. Der rechteckige Querschnitt des Wellenleiters bewirkt, dass sich das Licht mit horizontaler Polarisation langsamer bewegt als das Licht mit vertikaler Polarisation. Ein solcher Effekt wird als Doppelbrechung bezeichnet und wird in diesem speziellen Fall eher durch die Geometrie des Wellenleiters als durch das Material des Wellenleiters verursacht.

Der Wellenleiter arbeitet auf die gleiche Weise wie eine Wellenplatte, um den Polarisationszustand von Licht zu ändern. Wenn zirkular polarisiertes Licht in einen solchen Wellenleiter geschickt wird, ändert sich sein Polarisationszustand weiter, wenn er sich in dem Wellenleiter ausbreitet, und folglich tauschen die Photonen den Spin-Drehimpuls mit dem Wellenleiter aus.

"Die Kontrolle der Polarisation ist entscheidend für die moderne optische Kommunikation. Wir wissen aus der Theorie, dass, wenn die Polarisation in einer optischen Faser oder einem Siliziumwellenleiter geändert wird, ein Drehmoment auf sie ausgeübt wird", sagte Huan Li. "Der mechanische Effekt ist, dass der Wellenleiter durch eine winzige Menge verdreht wird (durch Licht), die zuvor nicht gemessen wurde."

Um diese durch Licht verursachte Verdrillung zu messen, ist ein kleiner Siliziumstrahl, der mit einem optischen Hohlraum hoher Qualität beschriftet ist, an dem Wellenleiter angebracht. Dies liefert eine hohe Meßempfindlichkeit für die Drehung des Strahls und des Wellenleiters.

Der Siliziumstrahl ist wie das Brett einer Wippe und der Wellenleiter ist wie der Schaft in der Mitte. Wenn Licht die Welle dreht, rotiert diese und die Wippe kippt, und dies wird von der optischen Kavität erkannt. Indem er die Polarisation des Eingangslichts periodisch änderte, beobachtete das Team von Professor Mo Li, dass sich der Nanobeam ebenfalls periodisch drehte und das auf den Wellenleiter aufgebrachte optische Drehmoment aufzeigte.

"Aus den Messergebnissen konnten wir den Drehimpuls eines einzelnen Photons berechnen, der der fundamentalen Planck-Konstante multipliziert mit einem Faktor entspricht, der durch die Wellenleitergeometrie gesteuert werden kann", sagte Li He. "Unser Experiment zeigt die quantenmechanische Eigenschaft von Licht auf einem Chip."

Für Professor Mo Li und sein Team ist es aufregend, dass ihr Experiment die erste eindeutige Messung des Spin-Drehimpulses von Photonen und des optischen Drehmoments liefert, das in einem integrierten photonischen Gerät erzeugt wird. Das Ergebnis ihres Experiments zeigt auch, dass das optische Drehmoment durch die geometrische Doppelbrechung zusätzlich zu dem Material des Wellenleiters beeinflusst wird. Da der Drehimpuls der Photonen unabhängig von der Frequenz des Lichts ist (Frequenz gibt dem Licht seine verschiedenen Farben), ist der Effekt des optischen Drehmoments über das Spektralband gleich.

In einer Zeit, in der die Kraft des Lichts für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen genutzt wird, von Medizin bis zu Kommunikationssystemen, kann die Erforschung der Eigenschaften und resultierenden Auswirkungen von Photonen weitreichende Auswirkungen auf wissenschaftliche Geräte, Militärtechnologie, Infrastruktur und Verbraucher haben .

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