Una sorgente di luce ultracompatta a polarizzazione circolare è un componente cruciale per le applicazioni dell'elaborazione delle informazioni dell'ottica classica e quantistica. Lo sviluppo di questo campo si basa sui progressi di due campi:materiali quantistici e cavità ottiche chirali. Gli approcci convenzionali per la fotoluminescenza polarizzata circolarmente soffrono di emissione incoerente a banda larga, DOP limitato e ampi angoli di irradiazione. Le loro applicazioni pratiche sono vincolate dalla bassa efficienza e dallo spreco di energia a manovre indesiderate e direzioni di emissione. I microlaser chirali possono avere DOP grandi e output direzionale, ma solo in intervalli di potenza specifici. Soprattutto, le loro prestazioni al di sotto della soglia precipitano in modo significativo. Finora la strategia per il controllo simultaneo dell'emissione spontanea chirale e del laser chirale è ancora assente.

In un nuovo articolo pubblicato su Scienza , i ricercatori dell'Harbin Institute of Technology e dell'Australian National University utilizzano la fisica degli stati chirali quasi legati nel continuum (BIC) e dimostrano l'emissione efficiente e controllabile di luce polarizzata circolarmente da metasuperfici risonanti.

BIC con carica topologica intera nello spazio della quantità di moto e un fattore Q teoricamente infinito sono stati esplorati per molte applicazioni, tra cui l'ottica non lineare e il laser. Introducendo l'asimmetria nel piano, i BIC diventano quasi BIC con fattori Q finiti ma comunque elevati. È interessante notare che la carica topologica intera della modalità BIC si dividerebbe in due mezze cariche intere, che si distribuiscono simmetricamente nello spazio della quantità di moto e corrispondono a stati di polarizzazione circolare sinistrorsi e destrorsi, noti anche come punti C.

Nei punti C, la luce incidente con uno stato di polarizzazione circolare può essere accoppiata alle nanostrutture e produrre campi elettromagnetici locali notevolmente migliorati. L'altro stato di polarizzazione è disaccoppiato e trasmette quasi perfettamente. Tali caratteristiche sono ben note ma raramente applicate alle emissioni luminose. "Ciò è dovuto principalmente al fatto che i punti C di solito deviano dal fondo della banda. Hanno un fattore Q relativamente basso e non possono essere eccitati per le azioni laser", afferma Zhang.

Per realizzare l'emissione di luce chirale, un passaggio fondamentale consiste nel combinare la densità locale degli stati con la chiralità intrinseca nei punti C. Se un punto C viene spostato sul fondo della banda, il fattore Q del corrispondente quasi-BIC chirale può essere massimo. Secondo la regola d'oro di Fermi, la velocità di radiazione di un'emissione spontanea polarizzata circolarmente è aumentata, mentre l'altra polarizzazione è inibita. Sia il fattore Q che la velocità di radiazione si riducono drasticamente con l'angolo di emissione. Di conseguenza, ci si può aspettare un'emissione di luce di elevata purezza e altamente direzionale vicino al punto Γ.

"Naturalmente, l'altro punto C può supportare un'elevata chiralità simile con manualità opposta. Tuttavia, quel punto devia anche dal fattore Q massimo e meno viene migliorato. Pertanto, la nostra metasuperficie produce solo una polarizzazione circolare quasi unitaria con un'elevata direzionalità attorno alla normale direzione", dice Zhang.

Il controllo dei punti C nello spazio della quantità di moto è strettamente correlato alla massimizzazione della chiralità nella direzione normale. In linea di principio, la realizzazione della chiralità si riferisce alla rottura simultanea delle simmetrie di riflessione speculare nel piano e fuori piano. In questa ricerca, il team ha introdotto un'asimmetria fuori piano, l'inclinazione delle nanostrutture. Per un'asimmetria nel piano, esiste un'asimmetria fuori piano che può spostare un punto C in un punto Γ. "Troviamo che due tipi di asimmetrie dipendono linearmente l'uno dall'altro. Questo rende molto facile l'ottimizzazione della chiralità nella direzione normale", afferma Zhang.

Negli esperimenti, i ricercatori hanno fabbricato le metasuperfici con un processo di incisione di ioni reattivi inclinati in una fase e caratterizzato le emissioni. Sotto l'eccitazione di un laser a nanosecondi, hanno dimostrato con successo le emissioni chirali con un DOP di 0,98 e un angolo divergente di campo lontano di 1,06 gradi. "La nostra sorgente di luce circolare è realizzata con il controllo del punto C nello spazio di quantità di moto e la densità locale di stato. È indipendente dalla potenza di eccitazione", afferma Zhang. "Questo è il motivo per cui possiamo ottenere l'elevata Q, l'elevata direzionalità e l'emissione di polarizzazione circolare ad alta purezza dall'emissione spontanea al laser."

Rispetto agli approcci convenzionali, il quasi-BIC chirale fornisce un modo per modificare e controllare simultaneamente gli spettri, i modelli di radiazione e il momento angolare di rotazione della fotoluminescenza e del laser senza alcuna iniezione di spin. Questo approccio può migliorare la progettazione delle attuali sorgenti di luce chirale e potenziarne le applicazioni nei sistemi fotonici e quantistici. + Esplora ulteriormente

Migliorare la robustezza degli stati legati nel continuum con cariche topologiche più elevate