平方圆打破球的对称性以控制光的偏振

东京工业大学和光子科学研究所的科学家们开发了一种从最终对称结构：球体产生圆偏振光的方法。他们的方法涉及通过电子束激发破坏球的固有对称性，从而可以精确地控制发射光的相位和偏振。此方法可用于在圆偏振光的相位和偏振方向上编码信息，从而实现新颖的量子通信和加密技术。

光波具有称为极化的特性，在通信和信息技术中具有巨大的潜力。该特性与垂直于波的传播方向的振荡的取向有关。极化的简单类型是静态的，例如，纯垂直或水平极化。但是，也存在圆极化，其中，随着波传播，振荡的方向连续旋转。

圆偏振光的光(CPL)是下一代的技术，例如量子通信和加密的关键成分。CPL可以具有右旋或左旋极化，具体取决于振荡旋转的方向。圆偏振的这种“二进制”特性可用于以鲁棒的方式对光中的信息进行编码。换句话说，接收者不太可能将右手CPL误认为左手CPL。因此，开发能够产生CPL的发射器是一个活跃的研究领域。

产生CPL的一种新兴方法是使用二维非手性结构。单词“非手性”类似于“对称”，这意味着非手性结构的镜像与原始对象是无法区分的。但是，对称物体如何发出具有两种不同圆偏振模式的光?答案是“外部对称性破坏”，由此受控的局部激发或经过特殊设计的检测方案会导致非手性结构产生具有所需方向的CPL。在ACS Nano上发表的最新研究中，日本东京科技大学和西班牙ICFO的科学家们找到了一种从最终对称结构(球体)生成CPL的方法。

球形纳米粒子充当全向天线，并且非手性需要打破外部对称性才能产生CPL。用他们的新颖方法，科学家团队用电子束照射了球形纳米颗粒，从而触发了一种称为“阴极致发光”的现象。此过程是20世纪电视显示器的基础，涉及高能电子撞击到材料上并将多个局部电子激发到更高的能态，然后将这些过量的能量作为光子发射出去。主持这项研究的三宫拓三副教授说：“电子束的使用是激发精确光学模式的一种通用方法，并为按需生成CPL带来了潜在的优势。”

但是，当使用球体时，需要适当设计的激励方案来实现所需的对称性破坏。科学家们提出了一种从球体产生左手和右手CPL的方法，而不是一种，而是两种不同的方法。第一种方法涉及操纵由电子束在球体中感应的两个电偶极子之间的相位差。另一种方法是利用磁偶极子和电偶极子之间产生的干扰。

为了实验地观察球形纳米颗粒产生的CPL ，科学家开发了一种称为四维STEM-CL的旋光技术，该技术是“扫描透射电子显微镜-阴极发光”的缩写。值得注意的是，实验结果几乎与严格的理论分析的预测完全吻合。Sannomiya对此结果感到兴奋，得出结论：“我们的方法在开发可定制CPL光源方面具有巨大潜力，因此可以通过电子束的定位轻松控制发射光的相位和偏振度。” 这种新颖方法的多功能性可以极大地用于编码有关相位和极化的信息 的光子，实现了新的通信和加密方法。