Comment un faisceau lumineux peut-il faire la différence entre la gauche et la droite ? À l'Université de technologie de Vienne (TU Wien), de minuscules particules ont été couplées à une fibre de verre. Les particules émettent de la lumière dans la fibre de telle sorte qu'elle ne se déplace pas dans les deux sens, comme on pouvait s'y attendre. Au lieu, la lumière peut être dirigée soit vers la gauche, soit vers la droite. Cela est devenu possible grâce à l'utilisation d'un effet physique remarquable :le couplage spin-orbite de la lumière. Ce nouveau type de commutateur optique a le potentiel de révolutionner la nanophotonique.

Les chercheurs ont maintenant publié leurs travaux dans la revue Science .

Nanoparticules d'or sur fibres de verre

Lorsqu'une particule absorbe et émet de la lumière, cette lumière n'est pas seulement émise dans une direction. "Une particule dans l'espace libre émettra toujours autant de lumière dans une direction particulière qu'elle en émet dans la direction opposée", déclare le professeur Arno Rauschenbeutel (TU Wien). Son équipe est aujourd'hui parvenue à briser cette symétrie d'émission à l'aide de nanoparticules d'or couplées à des fibres de verre ultrafines. La lumière laser incidente détermine si la lumière émise par la particule se déplace à gauche ou à droite dans la fibre de verre.

Vélos et hélices d'avion

Ceci n'est possible que parce que la lumière a un moment cinétique intrinsèque, le tour. Semblable à un pendule qui peut osciller dans un plan particulier ou se déplacer en cercles, une onde lumineuse peut avoir différentes directions d'oscillation. S'il a une direction vibratoire bien définie, c'est ce qu'on appelle une « onde polarisée ». "Une simple onde plane a partout la même polarisation", dit Arno Rauschenbeutel, "mais quand l'intensité de la lumière change localement, la polarisation change aussi."

D'habitude, la lumière oscille dans un plan perpendiculaire à sa direction de propagation. Si l'oscillation est circulaire, ceci est similaire au mouvement d'une hélice d'avion. Son axe de rotation – correspondant au spin – pointe dans la direction de propagation. Mais la lumière se déplaçant à travers des fibres de verre ultra-fines a des propriétés très particulières. Son intensité est très élevée à l'intérieur de la fibre de verre, mais elle décroît rapidement en dehors de la fibre. "Cela conduit à une composante de champ supplémentaire dans le sens de la fibre de verre", dit Arno Rauschenbeutel. Le plan de rotation de l'onde lumineuse pivote de 90 degrés. "Puis, la direction de propagation est perpendiculaire au spin, comme un vélo, se déplaçant dans une direction perpendiculaire aux axes des roues.

En vérifiant le sens de rotation des roues – dans le sens horaire ou antihoraire – nous pouvons dire si un vélo se déplace à droite ou à gauche en le regardant de côté. C'est exactement la même chose avec les faisceaux de lumière dans la fibre de verre ultra-fine. Le sens de rotation du champ lumineux est couplé à la direction du mouvement. Ce type de couplage est une conséquence directe de la géométrie des fibres de verre et des lois de l'électrodynamique. L'effet est appelé "couplage spin-orbite de la lumière".

Couplage de la rotation et de la direction du mouvement

Lorsqu'une particule couplée à la fibre de verre est irradiée avec un laser de telle manière qu'elle émet une lumière d'un sens de rotation particulier, la lumière émise se propagera ainsi dans une seule direction particulière à l'intérieur de la fibre de verre - soit vers la gauche, soit vers la droite. Cet effet a maintenant été démontré en utilisant une seule nanoparticule d'or sur une fibre de verre. La fibre est 250 fois plus fine qu'un cheveu humain; le diamètre de la particule d'or est même quatre fois moindre. Le diamètre de la fibre et de la particule sont encore plus petits que la longueur d'onde de la lumière émise.

"Cette nouvelle technologie devrait être facilement disponible dans des applications commerciales. Déjà maintenant, toute l'expérience tient dans une boîte à chaussures", dit Arno Rauschenbeutel. "La méthode pourrait être appliquée aux circuits optiques intégrés. De tels systèmes pourraient un jour remplacer les circuits électroniques que nous utilisons aujourd'hui."