物理学家利用人工磁场将光子“欺骗”成电子态

对蜂窝形超表面进行应变会产生一个人造光磁场，该磁场可以通过将超表面埋入空腔波导中来进行调整。

科学家发现了一种使用“合成”洛伦兹力操纵光的优雅方法，这种力实际上是造成许多令人着迷的现象的原因，其中包括北极光。

埃克塞特大学的理论物理学家团队率先开发了一种新技术，以创建可调节的人工磁场，该技术可使光子模仿真实磁场中带电粒子的动力学。

研究小组认为，这项新研究发表在领先的《自然光子学》杂志上，可能为未来的光子器件带来重要影响，因为它提供了一种处理衍射极限以下光的新颖方法。

当带电粒子（如电子）通过磁场时，由于它们的电荷，它们会产生洛伦兹力，从而使它们的轨迹围绕磁场线弯曲。

洛伦兹的这种力量负责许多引人入胜的现象，从美丽的北极光到著名的量子霍尔效应，其发现被授予诺贝尔奖。

《自然光子学》论文的作者从左至右：Charlie-Ray Mann（首席科学家），Simon Horsley和Eros Mariani。

但是，由于光子不带电荷，因此不能使用实际磁场直接控制光子，因为它们不会受到洛伦兹力。物理基本定律所规定的严格限制。

研究团队已经表明，可以通过扭曲蜂窝超表面来创建光的人造磁场，蜂窝超表面是一种超薄的2D表面，其设计尺寸比光的波长小得多。

十年前，埃克塞特小组受到了一项非凡发现的启发，该发现表明，通过应变石墨烯膜传播的电子的行为就像受到大磁场一样。

这种应变工程方法的主要缺点在于，需要对人造磁场进行调谐，以精确地修改应变模式，这对于光子结构来说是非常具有挑战性的，即使不是不可能的。

埃克塞特（Exeter）的物理学家提出了一种优雅的解决方案，以克服这种根本的可调谐性不足。

该研究的首席科学家兼作者查理·雷·曼恩（Charlie-Ray Mann）解释说：“这些超颖表面支持被困在超颖表面上的混合光物质激发，称为极化子。

“然后，它们被超表面的变形所偏转，其方式类似于磁场使带电粒子偏转的方式。

“通过利用极化子的混合特性，我们表明您可以通过修改超表面周围的实际电磁环境来调整人工磁场。”

在这项研究中，研究人员将超颖表面嵌入了两个反射镜（称为光子腔）之间，并表明人们可以通过仅改变光子腔的宽度来调谐人造磁场，从而无需修改超颖表面的畸变。 。

查理补充说：“我们甚至证明，您可以完全在临界腔宽​​度处关闭人造磁场，而不必消除超表面的变形，这在石墨烯或任何模拟石墨烯的系统中是不可能做到的。

“使用这种机制，您可以使用可调谐的Lorentz力弯曲极化子的轨迹，并观察极化子回旋加速器轨道的Landau量化，这与真实磁场中带电粒子所发生的情况直接类似。

“此外，我们已经表明，您只需改变腔体宽度就可以彻底重新构造极化子朗道能级谱。”

该研究的首席主管埃罗斯·马里亚尼（Eros Mariani）博士说：从基本的观点来看，能够用通常被认为是带电粒子所独有的光子来模拟现象令人着迷，但它也可能对光子学应用产生重要影响。

“我们很高兴看到这项发现的发展方向，因为它提出了许多有趣的问题，可以在整个电磁频谱的许多不同实验平台中进行探索。”

参考：查理·雷·曼（Charlie-Ray Mann），西蒙·A·霍斯利（Simon A.R.
10.1038 / s41566-020-0688-8