Pour que l'effet Kerker se produise, les particules doivent avoir des polarisabilités électrique et magnétique de la même force. Cette, cependant, est très difficile à atteindre, car les résonances optiques magnétiques dans les petites particules sont relativement faibles. Chercheurs de l'Institut Ioffe, à Saint-Pétersbourg, ont récemment montré qu'un effet similaire peut être obtenu lorsque de petites particules tremblent dans l'espace.

« Même si la diffusion de la lumière est comprise depuis plus d'un siècle après les travaux de Rayleigh, Ramane, Landsberg et Mandelstam, il reste à la fois un défi fondamental et appliqué d'acheminer la lumière diffusée à l'échelle nanométrique dans la direction à volonté, " Alexandre Poshakinskiy, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "La capacité de contrôler la direction, la fréquence et la polarisation de la lumière diffusée sont essentielles pour le fonctionnement des circuits optiques."

Les dispositifs qui peuvent contrôler la direction de la lumière diffusée pourraient avoir de nombreuses applications utiles, notamment pour le fonctionnement des antennes et le routage de la lumière. Dans les années 1980, les chercheurs ont émis l'hypothèse qu'une diffusion directionnelle de la lumière peut être obtenue via ce que l'on appelle l'effet Kerker. Cet effet exploite essentiellement l'interférence des diagrammes d'émission dipolaires électriques et magnétiques, qui ont une parité spatiale différente, ce qui permet la suppression de la diffusion vers l'avant ou vers l'arrière lorsqu'elles sont superposées.

"La réalisation de l'effet Kerker conventionnel nécessite que les particules aient des polarisabilités électrique et magnétique de la même force, " a déclaré Poshakinskiy. " Cependant, c'est un défi car la réponse magnétique aux fréquences optiques est extrêmement faible. Une solution de contournement possible consiste à utiliser de grandes nanoparticules de taille submicronique hébergeant à la fois des résonances électriques et magnétiques de Mie. Cependant, l'effet Kerker optique pour les particules plus petites que la longueur d'onde dans le milieu est encore irréalisable. Dans notre travail, nous montrons que même les petites particules, qui manquent de réponse magnétique au repos, l'acquièrent quand ils commencent à trembler dans l'espace, permettant la réalisation de ce que nous appelons l'effet Kerker optomécanique."

Dans l'effet Kerker optomécanique, proposé par Poshakinskiy et son collègue Alexander Poddubny, la diffusion directionnelle accordable de la lumière est atteinte pour une particule qui manque de résonances magnétiques lorsqu'elle tremble dans l'espace. Le mouvement tremblant du dipôle électrique dans l'espace conduit à l'apparition d'un dipôle magnétique, comme on pouvait s'y attendre de la transformation de Lorentz.

"Nous montrons que les dipôles magnétiques et électriques induits dans la particule tremblante par la lumière incidente sont contre-intuitivement du même ordre lorsque la diffusion inélastique est considérée, " Poshakinskiy a expliqué. " La différence de phase entre les dipôles électriques et magnétiques est régie par la dépendance en fréquence de la permittivité des particules. Pour une particule résonante, cela permet de contrôler la direction de diffusion via le désaccord de la fréquence de la lumière à partir de la résonance :la lumière est diffusée de préférence vers l'avant à la résonance et vers l'arrière loin de celle-ci. "

Les chercheurs montrent que dans l'effet Kerker optomécanique, le facteur de mérite qui quantifie la quantité de lumière diffusée dans une direction particulière par rapport à toutes les autres directions (c'est-à-dire la directivité), peut atteindre 5,25. Cela dépasse la directivité de 3 atteinte dans l'effet Kerker classique, en raison de l'impulsion électrique quadripolaire supplémentaire induite par le mouvement mécanique.

Dans leur étude, Poshakinskiy et Poddubny ont également introduit un deuxième effet, qu'ils appellent « l'effet de spin-Hall optomécanique ». A cet effet, une diffusion inélastique directionnelle de la lumière, selon sa polarisation circulaire, est réalisé pour une petite particule tremblante.

"L'effet spin-Hall optomécanique peut être obtenu lorsqu'une particule vibre autour d'une trajectoire circulaire plutôt que d'une ligne droite, " Poshakinskiy a déclaré. "Nous montrons que le moment mécanique angulaire de la particule peut être transféré au spin de la lumière. Ensuite, les ondes électromagnétiques diffusées par la particule tremblante à gauche et à droite atteignent une polarisation circulaire opposée."

Les découvertes rassemblées par Poshakinskiy et Poddubny suggèrent que l'interaction entre la lumière et le mouvement mécanique a une nature intrinsèquement multipolaire. Cette qualité pourrait être exploitée dans une variété de systèmes, allant des atomes froids aux matériaux bidimensionnels et aux qubits supraconducteurs.

« Nous pensons que le Kerker optomécanique proposé ouvre un nouveau champ multidisciplinaire en découvrant, pour la première fois, A notre connaissance, un lien peu trivial entre optomécanique et nanophotonique, " a déclaré Poshakinskiy. " D'un point de vue pratique, les effets proposés peuvent être utilisés pour concevoir des dispositifs optiques à l'échelle nanométrique non réciproques."

Non-réciprocité optique, ce qui signifie que la lumière est transmise vers l'avant et vers l'arrière à travers un circuit optique différemment, est crucial pour le traitement du signal optique. La plupart des dispositifs optomécaniques non réciproques existants sont basés sur des résonateurs optiques, qui limitent leur taille minimale à des sous-micromètres. Les résultats recueillis par Poshakinskiy et Poddubny montrent qu'une non-réciprocité optomécanique accordable peut également se produire à l'échelle nanométrique lors de l'utilisation de petites particules tremblantes avec une polarisabilité résonante.

« La non-réciprocité optique est également un ingrédient clé pour la conception de circuits topologiques photoniques, " ajouta Poshakinskiy. " Dans un éventail de particules tremblantes, on peut s'attendre à une propagation de la lumière et du son robuste au désordre, assurée par la modulation temporelle des propriétés optiques et mécaniques."

L'étude menée par Poshakinskiy et Poddubny montre comment la diffusion directionnelle accordable de la lumière peut être réalisée à l'échelle nanométrique, introduisant les effets optomécaniques Kerker et spin-Hall. À l'avenir, leurs découvertes pourraient avoir plusieurs applications intéressantes, par exemple, informant la conception de circuits topologiques non réciproques. Les chercheurs prévoient maintenant de démontrer l'effet Kerker optomécanique dans des expériences de laboratoire.

"La preuve de concept serait l'observation de la rétrodiffusion directionnelle par des objets tremblants, qui peut être réalisé même loin des résonances matérielles, " Poshakinskiy a déclaré "Nous pensons que cela peut être fait dans une variété de systèmes, par exemple, points quantiques semi-conducteurs, les dichalcogénures de métaux de transition ou le graphène. Cependant, la caractéristique clé de l'effet Kerker optomécanique est la possibilité de changer le sens de la diffusion entre l'avant et l'arrière. Cela nécessite des particules avec des résonances extrêmement nettes dans leur réponse électromagnétique. Nos estimations montrent qu'une telle commutation peut être réalisée pour des atomes froids dans des pièges optiques ou des qubits supraconducteurs dans des circuits radiofréquences."

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