Affinché si verifichi l'effetto Kerker, le particelle devono avere polarizzabilità elettrica e magnetica della stessa forza. Questo, però, è molto difficile da raggiungere, poiché le risonanze magnetiche ottiche in piccole particelle sono relativamente deboli. Ricercatori dell'Istituto Ioffe, a San Pietroburgo, hanno recentemente dimostrato che un effetto simile può essere ottenuto quando piccole particelle tremano nello spazio.

"Anche se la diffusione della luce è stata compresa per più di un secolo dopo i lavori di Rayleigh, Raman, Landsberg e Mandel'stam, rimane una sfida sia fondamentale che applicata indirizzare la luce diffusa su scala nanometrica nella direzione a piacimento, "Alessandro Poshakinskiy, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "La capacità di controllare la direzione, frequenza e polarizzazione della luce diffusa è essenziale per il funzionamento dei circuiti ottici."

I dispositivi in ​​grado di controllare la direzione della luce diffusa potrebbero avere numerose applicazioni utili, in particolare per il funzionamento delle antenne e l'instradamento della luce. Negli anni '80, i ricercatori hanno teorizzato che una diffusione direzionale della luce può essere ottenuta tramite il cosiddetto effetto Kerker. Questo effetto sfrutta essenzialmente l'interferenza dei modelli di emissione di dipolo elettrico e magnetico, che hanno parità spaziale diversa, producendo la soppressione della diffusione in avanti o all'indietro quando sono sovrapposti.

"La realizzazione dell'effetto Kerker convenzionale richiede che le particelle abbiano polarizzabilità elettrica e magnetica della stessa forza, "Poshakinskiy ha detto. "Tuttavia, questo è difficile perché la risposta magnetica alle frequenze ottiche è estremamente debole. Una possibile soluzione alternativa consiste nell'utilizzare nanoparticelle di dimensioni inferiori al micron che ospitano risonanze Mie sia elettriche che magnetiche. Però, L'effetto Kerker ottico per le particelle più piccole della lunghezza d'onda nel mezzo è ancora irrealizzabile. Nel nostro lavoro, mostriamo che anche piccole particelle, che mancano di risposta magnetica a riposo, acquisiscilo quando iniziano a tremare nello spazio, consentendo la realizzazione di quello che chiamiamo effetto optomeccanico Kerker."

Nell'effetto optomeccanico Kerker, proposto da Poshakinskiy e dal suo collega Alexander Poddubny, la diffusione direzionale sintonizzabile della luce è ottenuta per una particella che non ha risonanze magnetiche mentre trema nello spazio. Il movimento tremolante del dipolo elettrico nello spazio porta alla comparsa di un dipolo magnetico, come ci si potrebbe aspettare dalla trasformazione di Lorentz.

"Mostriamo controintuitivamente che il dipolo magnetico ed elettrico indotto nella particella tremolante dalla luce incidente sono dello stesso ordine quando si considera lo scattering anelastico, " Poshakinskiy ha spiegato. "La differenza di fase tra i dipoli elettrici e magnetici è governata dalla dipendenza dalla frequenza della permittività delle particelle. Per una particella risonante, ciò consente il controllo della direzione di diffusione tramite la desintonizzazione della frequenza della luce dalla risonanza:la luce viene diffusa preferibilmente in avanti alla risonanza e all'indietro lontano da essa. "

I ricercatori mostrano che nell'effetto optomeccanico Kerker, la figura di merito che quantifica quanta luce viene diffusa in una particolare direzione rispetto a tutte le altre direzioni (cioè direttività), può arrivare fino a 5,25. Questo supera la direttività di 3 raggiunta nel classico effetto Kerker, dovuto al momento elettrico aggiuntivo del quadrupolo indotto dal movimento meccanico.

Nel loro studio, Poshakinskiy e Poddubny introdussero anche un secondo effetto, a cui si riferiscono come 'l'effetto optomeccanico spin-Hall.' In questo effetto, una dispersione anelastica direzionale della luce, a seconda della sua polarizzazione circolare, è realizzato per una piccola particella tremante.

"L'effetto optomeccanico di spin-Hall può essere ottenuto quando una particella vibra attorno a una traiettoria circolare piuttosto che a una linea retta, " Poshakinskiy ha detto. " Mostriamo che il momento meccanico angolare della particella può essere trasferito allo spin della luce. Quindi le onde elettromagnetiche diffuse dalla particella tremante a sinistra e a destra raggiungono la polarizzazione circolare opposta."

I risultati raccolti da Poshakinskiy e Poddubny suggeriscono che l'interazione tra luce e movimento meccanico ha una natura intrinsecamente multipolare. Questa qualità potrebbe essere sfruttata in una varietà di sistemi, che vanno dagli atomi freddi ai materiali bidimensionali e ai qubit superconduttori.

"Riteniamo che la proposta optomeccanica Kerker apra un nuovo campo multidisciplinare scoprendo, per la prima volta, per quello che ci risulta, un legame poco banale tra optomeccanica e nanofotonica, " Poshakinskiy ha detto. "Da un punto di vista pratico, gli effetti proposti possono essere utilizzati per progettare dispositivi ottici su nanoscala non reciproci."

non reciprocità ottica, il che significa che la luce viene trasmessa avanti e indietro attraverso un circuito ottico in modo diverso, è cruciale per l'elaborazione del segnale ottico. La maggior parte dei dispositivi optomeccanici non reciproci esistenti si basa su risonatori ottici, che limitano la loro dimensione minima a sub-micron. I risultati raccolti da Poshakinskiy e Poddubny mostrano che la non reciprocità optomeccanica sintonizzabile può verificarsi anche su scala nanometrica quando si utilizzano piccole particelle tremolanti con polarizzabilità risonante.

"La non reciprocità ottica è anche un ingrediente chiave per la progettazione di circuiti topologici fotonici, " aggiunse Poshakinskiy. "In una serie di particelle tremanti, ci si può aspettare una propagazione disordinata di luce e suono, assicurata dalla modulazione temporale delle proprietà ottiche e meccaniche."

Lo studio condotto da Poshakinskiy e Poddubny mostra come la diffusione direzionale sintonizzabile della luce può essere ottenuta su scala nanometrica, introducendo gli effetti optomeccanici Kerker e spin-Hall. Nel futuro, le loro scoperte potrebbero avere diverse applicazioni interessanti, ad esempio, informare la progettazione di circuiti topologici non reciproci. I ricercatori stanno ora progettando di dimostrare l'effetto optomeccanico Kerker negli esperimenti di laboratorio.

"La prova del concetto sarebbe l'osservazione della retrodiffusione direzionale da parte di oggetti tremanti, che può essere realizzato anche lontano da risonanze materiali, " Poshakinskiy ha detto "Crediamo che questo possa essere fatto in una varietà di sistemi, ad es. punti quantici a semiconduttore, dicalcogenuri di metalli di transizione o grafene. Però, la caratteristica fondamentale dell'effetto optomeccanico Kerker è la possibilità di cambiare la direzione di dispersione tra avanti e indietro. Ciò richiede particelle con risonanze estremamente nitide nella loro risposta elettromagnetica. Le nostre stime mostrano che tale commutazione può essere realizzata per atomi freddi in trappole ottiche o qubit superconduttori in circuiti a radiofrequenza".

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