Gli scienziati del Tokyo Institute of Technology e dell'Institute of Photonic Sciences hanno sviluppato un metodo per generare luce polarizzata circolarmente dall'ultima struttura simmetrica:la sfera. Il loro approccio prevede la rottura della simmetria intrinseca della sfera mediante eccitazione del fascio di elettroni, che consente di controllare con precisione la fase e la polarizzazione della luce emessa. Questo metodo può essere utilizzato per codificare informazioni nella direzione di fase e polarizzazione della luce polarizzata circolarmente, abilitando nuove tecnologie di comunicazione e crittografia quantistiche.

Le onde luminose possiedono una proprietà chiamata polarizzazione che ha un enorme potenziale nelle tecnologie della comunicazione e dell'informazione. Questa proprietà è legata all'orientamento delle oscillazioni perpendicolari alla direzione di propagazione dell'onda. I tipi più semplici di polarizzazione sono statici, ad esempio polarizzazione puramente verticale o orizzontale. Però, c'è anche la polarizzazione circolare, in cui l'orientamento dell'oscillazione ruota continuamente mentre l'onda si propaga.

La luce polarizzata circolare (CPL) è un ingrediente chiave delle tecnologie di prossima generazione come la comunicazione quantistica e la crittografia. CPL può avere polarizzazione destrorsa o sinistrorsa a seconda della direzione in cui ruotano le oscillazioni. Questa caratteristica "binaria" della polarizzazione circolare può essere utilizzata per codificare le informazioni nella luce in modo robusto; in altre parole, è improbabile che un destinatario possa scambiare CPL destrorsi per CPL mancini. Così, lo sviluppo di emettitori in grado di produrre CPL è un attivo campo di ricerca.

Un metodo emergente per produrre CPL consiste nell'utilizzare strutture achirali bidimensionali. La parola "achirale" è simile a "simmetrica, " significa che l'immagine speculare di una struttura achirale è indistinguibile dall'oggetto originale. Ma come fa un oggetto simmetrico emette luce con due diverse modalità di polarizzazione circolare? La risposta è "rottura della simmetria esterna, " per cui eccitazioni localizzate controllate o schemi di rilevamento appositamente progettati fanno sì che le strutture achirali producano CPL con l'orientamento desiderato. In un recente studio pubblicato su ACS Nano , scienziati della Tokyo Tech, Giappone e ICFO, Spagna, hanno trovato un modo per generare CPL dalla struttura simmetrica definitiva:la sfera.

Le nanoparticelle sferiche funzionano come antenne omnidirezionali e, essere achirale, richiedono la rottura della simmetria esterna per produrre CPL. Nel loro nuovo approccio, il team di scienziati ha irradiato una nanoparticella sferica con fasci di elettroni per innescare un fenomeno noto come "catodoluminescenza". Questo processo, che è alla base degli spettacoli televisivi del XX secolo, coinvolge elettroni ad alta energia che interferiscono con il materiale ed eccitano più elettroni locali a stati energetici più elevati, che poi emettono questa energia in eccesso sotto forma di fotoni. Professore Associato Takumi Sannomiya, che ha condotto lo studio, osservazioni, "L'uso di fasci di elettroni è un modo versatile per eccitare modalità ottiche precise e presenta potenziali vantaggi per la generazione su richiesta di CPL".

Però, quando si usa una sfera, è necessario uno schema di eccitazione adeguatamente progettato per ottenere la rottura della simmetria desiderata. Gli scienziati non ne hanno proposto uno, ma due modi diversi per produrre CPL destrorsi e mancini da una sfera. Il primo modo prevede la manipolazione delle differenze di fase tra due dipoli elettrici indotti nella sfera da un fascio di elettroni. L'altro modo è sfruttare l'interferenza prodotta tra dipoli magnetici ed elettrici.

Per visualizzare sperimentalmente il CPL generato dalle loro nanoparticelle sferiche, gli scienziati hanno sviluppato una tecnica di polarimetria chiamata STEM-CL quadridimensionale, abbreviazione di "microscopia elettronica a trasmissione a scansione-catodoluminescenza". In particolare, i risultati sperimentali erano quasi perfettamente in linea con le previsioni di rigorose analisi teoriche. Entusiasta dei risultati, Sannomiya conclude, "Il nostro approccio ha un grande potenziale per lo sviluppo di sorgenti CPL personalizzabili, per cui la fase e il grado di polarizzazione della luce emessa possono essere facilmente controllati attraverso il posizionamento del fascio di elettroni." La versatilità di questo nuovo metodo potrebbe essere di grande utilità per codificare informazioni sulla fase e sulla polarizzazione dei fotoni, abilitando nuovi metodi di comunicazione e crittografia.