Para que ocurra el efecto Kerker, las partículas deben tener polarizabilidades eléctricas y magnéticas de la misma fuerza. Esta, sin embargo, es muy difícil de lograr, ya que las resonancias ópticas magnéticas en partículas pequeñas son relativamente débiles. Investigadores del Instituto Ioffe, En San Petersburgo, Recientemente han demostrado que se puede lograr un efecto similar cuando pequeñas partículas tiemblan en el espacio.

"A pesar de que la dispersión de la luz se ha entendido durante más de un siglo después de las obras de Rayleigh, Raman, Landsberg y Mandelstam, sigue siendo un desafío fundamental y aplicado encaminar la luz dispersa a nanoescala en la dirección que se desee, "Alexander Poshakinskiy, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "La capacidad de controlar la dirección, La frecuencia y polarización de la luz dispersa es esencial para el funcionamiento de los circuitos ópticos ".

Los dispositivos que pueden controlar la dirección de la luz dispersa podrían tener numerosas aplicaciones útiles, particularmente para el funcionamiento de antenas y el enrutamiento de la luz. En la década de 1980, Los investigadores teorizaron que se puede lograr una dispersión direccional de la luz a través del llamado efecto Kerker. Este efecto esencialmente aprovecha la interferencia de los patrones de emisión de dipolos eléctricos y magnéticos, que tienen una paridad espacial diferente, produciendo la supresión de la dispersión hacia adelante o hacia atrás cuando se superponen.

"La realización del efecto Kerker convencional requiere que las partículas tengan polarizabilidades eléctricas y magnéticas de la misma fuerza, "Poshakinskiy dijo." Sin embargo, esto es un desafío porque la respuesta magnética a frecuencias ópticas es extremadamente débil. Una posible solución es utilizar nanopartículas grandes de tamaño submicrónico que alberguen resonancias Mie eléctricas y magnéticas. Sin embargo, El efecto óptico de Kerker para las partículas más pequeñas que la longitud de onda en el medio sigue siendo inviable. En nuestro trabajo, mostramos que incluso las partículas pequeñas, que carecen de respuesta magnética en reposo, lo adquieren cuando empiezan a temblar en el espacio, permitiendo la realización de lo que llamamos efecto Kerker optomecánico ".

En el efecto Kerker optomecánico, propuesto por Poshakinskiy y su colega Alexander Poddubny, la dispersión direccional sintonizable de la luz se logra para una partícula que carece de resonancias magnéticas cuando tiembla en el espacio. El movimiento tembloroso del dipolo eléctrico en el espacio conduce a la aparición de un dipolo magnético, como cabría esperar de la transformación de Lorentz.

"Demostramos que los dipolos magnéticos y eléctricos inducidos en la partícula temblorosa por la luz incidente son contraintuitivamente del mismo orden cuando se considera la dispersión inelástica, "Poshakinskiy explicó." La diferencia de fase entre los dipolos eléctricos y magnéticos se rige por la dependencia de la frecuencia de la permitividad de las partículas. Para una partícula resonante, esto permite el control de la dirección de dispersión mediante la desafinación de la frecuencia de la luz de la resonancia:la luz se dispersa preferiblemente hacia adelante en la resonancia y hacia atrás alejándose de ella. "

Los investigadores muestran que en el efecto Kerker optomecánico, la figura de mérito que cuantifica la cantidad de luz que se dispersa en una dirección particular en comparación con todas las demás direcciones (es decir, directividad), puede ser tan alto como 5,25. Esto excede la directividad de 3 alcanzada en el efecto Kerker clásico, debido al impulso cuadrupolo eléctrico adicional inducido por el movimiento mecánico.

En su estudio, Poshakinskiy y Poddubny también introdujeron un segundo efecto, al que se refieren como "el efecto Hall de giro optomecánico". En este efecto, una dispersión de luz inelástica direccional, dependiendo de su polarización circular, se realiza por una pequeña partícula temblorosa.

"El efecto de efecto Hall de giro optomecánico se puede lograr cuando una partícula vibra alrededor de una trayectoria circular en lugar de una línea recta, "Poshakinskiy dijo." Demostramos que el momento mecánico angular de la partícula se puede transferir al giro de la luz. Entonces, las ondas electromagnéticas esparcidas por la partícula temblorosa hacia la izquierda y hacia la derecha alcanzan una polarización circular opuesta ".

Los hallazgos reunidos por Poshakinskiy y Poddubny sugieren que la interacción entre la luz y el movimiento mecánico tiene una naturaleza intrínsecamente multipolar. Esta cualidad podría explotarse en una variedad de sistemas, que van desde átomos fríos hasta materiales bidimensionales y qubits superconductores.

"Creemos que la propuesta de Kerker optomecánica abre un nuevo campo multidisciplinario al descubrir, por primera vez, a nuestro conocimiento, un vínculo muy poco trivial entre la optomecánica y la nanofotónica, "Poshakinskiy dijo." Desde un punto de vista práctico, los efectos propuestos se pueden utilizar para diseñar dispositivos ópticos a nanoescala no recíprocos ".

No reciprocidad óptica, lo que significa que la luz se transmite hacia adelante y hacia atrás a través de un circuito óptico de manera diferente, es crucial para el procesamiento de señales ópticas. La mayoría de los dispositivos optomecánicos no recíprocos existentes se basan en resonadores ópticos, que limitan su tamaño mínimo a submicrones. Los resultados recopilados por Poshakinskiy y Poddubny muestran que la no reciprocidad optomecánica sintonizable también puede ocurrir a nanoescala cuando se utilizan pequeñas partículas temblorosas con polarizabilidad resonante.

"La no reciprocidad óptica también es un ingrediente clave para el diseño de circuitos topológicos fotónicos, ", Agregó Poshakinskiy." En una serie de partículas temblorosas, uno puede esperar una propagación de luz y sonido robusta al desorden, garantizado por la modulación temporal de las propiedades ópticas y mecánicas ".

El estudio realizado por Poshakinskiy y Poddubny muestra cómo se puede lograr la dispersión direccional sintonizable de la luz a nanoescala, introduciendo los efectos optomecánicos Kerker y spin-Hall. En el futuro, sus hallazgos podrían tener varias aplicaciones interesantes, por ejemplo, informar el diseño de circuitos topológicos no recíprocos. Los investigadores ahora planean demostrar el efecto Kerker optomecánico en experimentos de laboratorio.

"La prueba de concepto sería la observación de la retrodispersión direccional mediante objetos temblorosos, que se puede realizar incluso lejos de las resonancias materiales, Poshakinskiy dijo:"Creemos que esto se puede hacer en una variedad de sistemas, por ejemplo, puntos cuánticos semiconductores, dicalcogenuros de metales de transición o grafeno. Sin embargo, La característica clave del efecto Kerker optomecánico es la posibilidad de cambiar la dirección de dispersión entre hacia adelante y hacia atrás. Esto requiere partículas con resonancias extremadamente nítidas en su respuesta electromagnética. Nuestras estimaciones muestran que tal conmutación se puede realizar para átomos fríos en trampas ópticas o qubits superconductores en circuitos de radiofrecuencia ".

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