Des scientifiques de l'Institut de technologie de Tokyo et de l'Institut des sciences photoniques ont développé une méthode pour générer de la lumière polarisée circulairement à partir de la structure symétrique ultime :la sphère. Leur approche consiste à briser la symétrie inhérente de la sphère par excitation par faisceau d'électrons, qui permet de contrôler avec précision la phase et la polarisation de la lumière émise. Cette méthode peut être utilisée pour coder des informations dans la direction de phase et de polarisation de la lumière polarisée circulairement, permettant de nouvelles technologies de communication quantique et de cryptage.

Les ondes lumineuses possèdent une propriété appelée polarisation qui a un potentiel énorme dans les technologies de la communication et de l'information. Cette propriété est liée à l'orientation des oscillations perpendiculairement à la direction de propagation de l'onde. Les types de polarisation les plus simples sont statiques, par exemple, polarisation purement verticale ou horizontale. Cependant, il y a aussi une polarisation circulaire, dans lequel l'orientation de l'oscillation tourne continuellement au fur et à mesure que l'onde se propage.

La lumière polarisée circulaire (CPL) est un ingrédient clé des technologies de nouvelle génération telles que la communication quantique et le cryptage. Le CPL peut avoir une polarisation droite ou gauche selon le sens de rotation des oscillations. Cette caractéristique « binaire » de la polarisation circulaire peut être utilisée pour coder des informations en lumière de manière robuste; en d'autres termes, il est peu probable qu'un récepteur confonde le CPL droitier avec le CPL gaucher. Ainsi, développer des émetteurs capables de produire des CPL est un domaine de recherche actif.

Une méthode émergente pour produire des CPL consiste à utiliser des structures achirales bidimensionnelles. Le mot « achiral » est similaire à « symétrique, " ce qui signifie que l'image miroir d'une structure achirale est indiscernable de l'objet d'origine. Mais comment un objet symétrique émet-il de la lumière avec deux modes différents de polarisation circulaire ? La réponse est " brisure de symétrie externe, " par lequel des excitations localisées contrôlées ou des schémas de détection spécialement conçus amènent les structures achirales à produire des CPL avec l'orientation souhaitée. Dans une étude récente publiée dans ACS Nano , scientifiques de Tokyo Tech, Japon et ICFO, Espagne, ont trouvé un moyen de générer des CPL à partir de la structure symétrique ultime, la sphère.

Les nanoparticules sphériques fonctionnent comme des antennes omnidirectionnelles et, étant achiral, nécessitent une brisure de symétrie externe pour produire CPL. Dans leur approche originale, l'équipe de scientifiques a irradié une nanoparticule sphérique avec des faisceaux d'électrons pour déclencher un phénomène connu sous le nom de « cathodoluminescence ». Ce processus, qui est la base des écrans de télévision du 20e siècle, implique des électrons de haute énergie qui frappent le matériau et excitent plusieurs électrons locaux vers des états d'énergie plus élevés, qui émettent ensuite cet excès d'énergie sous forme de photons. Professeur agrégé Takumi Sannomiya, qui a dirigé l'étude, remarques, "L'utilisation de faisceaux d'électrons est un moyen polyvalent d'exciter des modes optiques précis et présente des avantages potentiels pour la génération à la demande de CPL."

Cependant, lors de l'utilisation d'une sphère, un schéma d'excitation bien conçu est nécessaire pour obtenir la brisure de symétrie souhaitée. Les scientifiques n'en ont proposé aucun, mais deux manières différentes de produire des CPL gauchers et droitiers à partir d'une sphère. La première consiste à manipuler les déphasages entre deux dipôles électriques induits dans la sphère par un faisceau d'électrons. L'autre façon est de tirer parti des interférences produites entre les dipôles magnétiques et électriques.

Visualiser expérimentalement le CPL généré par leurs nanoparticules sphériques, les scientifiques ont développé une technique de polarimétrie appelée STEM-CL à quatre dimensions, abréviation de « microscopie électronique à transmission à balayage-cathodoluminescence ». Notamment, les résultats expérimentaux étaient presque parfaitement conformes aux prédictions d'analyses théoriques rigoureuses. Enthousiasmé par les résultats, Sannomiya conclut, « Notre approche recèle un grand potentiel pour le développement de sources CPL personnalisables, grâce à quoi la phase et le degré de polarisation de la lumière émise peuvent être facilement contrôlés par le positionnement du faisceau d'électrons. » La polyvalence de cette nouvelle méthode pourrait être d'une grande utilité pour coder des informations sur la phase et la polarisation des photons, permettant de nouvelles méthodes de communication et de cryptage.