Compte rendu de recherche : L’ingénierie électro-contrôlable des photons polarisés par des champs magnétiques synthétiques

Contexte académique et objectif de la recherche

Ces dernières années, la théorie des jauges synthétiques a montré son potentiel dans le contrôle de la propagation et de l’évolution de l’état de systèmes photoniques non magnétiques. Cependant, les champs magnétiques synthétiques générés précédemment par différents mécanismes n’ont pas réussi à contrôler efficacement la polarisation des photons. De plus, les champs magnétiques rapportés jusqu’à présent étaient souvent synthétisés dans des configurations géométriques fixes, rendant leur ajustement difficile. Par conséquent, l’ingénierie des champs magnétiques synthétiques pour les photons reste un sujet de défi. Dans cet article, nous avons proposé un cadre théorique général pour un spin de ¹⁄₂ et synthétisé des vecteurs de magnétisation dans des milieux anisotropiques afin de contrôler la polarisation des photons de différentes manières.

Source de l’article

Cet article a été rédigé par Guohua Liu, Zepei Zeng, Haolin Lin, Yanwen Hu, Zhen Li, Zhenqiang Chen, et Shenhe Fu, avec la collaboration des institutions suivantes : College of Physics & Optoelectronic Engineering de Jinan University, Guangdong Provincial Key Laboratory of Optical Fiber Sensing and Communications, et Guangdong Provincial Engineering Research Center of Crystal and Laser Technology. L’article a été publié le 11 juillet 2024 dans le volume 11, numéro 7 de la revue « Optica ». Le DOI de l’article est le suivant : https://doi.org/10.1364/optica.527811.

Déroulement de la recherche

Modèle théorique

La recherche part du phénomène de transport de spin électronique dans un champ magnétique spatialement variable et introduit un cadre similaire à l’équation de Pauli, basé sur le couplage cohérent entre différents états de polarisation des photons dans des milieux de photons synthétiques. L’équation bidimensionnelle du mouvement pour la fonction d’onde de spin a été dérivée en utilisant la théorie de Maxwell, où un champ magnétique synthétique est réalisé à travers des milieux anisotropiques contrôlés électriquement. Nous avons défini une quantité de désaccord de phase et à travers une dépendance spatiale du désaccord de phase, un champ magnétique synthétique a été contribué, réalisant ainsi le contrôle électrique du moment magnétique des photons.

Conception du système expérimental

Le système expérimental est basé sur un cristal de LiNbO3 contrôlé électriquement, où une modulation transversale est réalisée par l’application d’un champ électrique spatiallement variable. En utilisant l’effet électro-optique, la distribution spatiale des différents indices de réfraction principaux est ajustée, et par conséquent, le gradient du champ magnétique synthétique est contrôlé. Nous avons aligné le faisceau incident avec l’axe optique du cristal, permettant aux photons de se propager le long de l’axe optique, et crée l’état de spin initial en utilisant trois plaques de vague (demi-onde, quart d’onde, et helicoïdale).

Étapes expérimentales

1. Expérience de déflexion et de division de photons : Sous tension appliquée, la force de Lorentz du champ magnétique synthétique sur les photons polarisés a été vérifiée en observant la déflexion et la division des photons.
2. Expérience de séparation de textures de spin complexes : En ingéniant des textures de spin avec des structures topologiques non triviales, l’effet Stern-Gerlach d’ordre supérieur a été validé.

Résultats expérimentaux et analyse des données

Les expériences ont permis d’observer avec succès les effets de séparation de spin des photons sous différentes tensions électriques. Les résultats expérimentaux indiquent que sous l’influence du champ magnétique terrestre, les photons subissent réellement une force latérale externe amenée par le champ magnétique faible. Cela correspond à une distance de séparation et des trajectoires similaires à l’effet Stern-Gerlach pour les spins quantiques. La véracité des résultats expérimentaux a été confirmée par des simulations.

En outre, nous avons réalisé expérimentalement l’effet Stern-Gerlach d’ordre supérieur, et sous l’action du champ magnétique synthétique, la division des photons ayant des fronts d’onde topologiquement non triviaux a été observée.

Conclusions et importance de la recherche

En établissant un cadre théorique général pour un spin de ¹⁄₂ et en réalisant des champs magnétiques synthétiques dans des milieux photoniques ingénierisés, cet article propose une nouvelle méthode de manipulation du moment magnétique des photons. Les champs magnétiques synthétiques permettent un contrôle électrique des milieux anisotropiques, entraînant des effets magnétiques sur les photons et permettant diverses applications, y compris la sélection et la conversion de la polarisation. Cette recherche contribue non seulement à l’exploration des phénomènes de transport de spin quantique, mais offre également de nouvelles perspectives pour la conception de dispositifs optiques fondés sur des photons polarisés.

Points saillants de la recherche

1. Réussite de la construction d’un modèle théorique de photons avec un spin équivalent à ¹⁄₂.
2. Vérification expérimentale de l’effet de la force de Lorentz des photons polarisés dans un champ magnétique synthétique et réalisation pour la première fois de l’effet Stern-Gerlach d’ordre supérieur.
3. Proposition d’une plateforme d’ingénierie pour le contrôle électrique du moment magnétique des photons, propice aux futures applications dans le domaine de la sélection et de la conversion de la polarisation.

Perspectives de recherche future

Le système à deux niveaux synthétisé démontré dans cet article est comparable non seulement aux systèmes à deux niveaux quantiques, mais peut aussi être analogué à divers systèmes en optique non linéaire (comme l’illustre le tableau 1). Ces analogies offrent de nombreuses possibilités pour explorer d’autres phénomènes de transport de spin utilisant des photons polarisés. Les recherches futures pourraient envisager de concevoir des champs magnétiques synthétiques appropriés pour réaliser des effets de Hall de spin topologique (pseudo) ou spécifier la géométrie cristalline pour générer une force pseudo-Lorentz radialement symétrique, contrôlant ainsi le pseudo-spin. Ces explorations avanceront davantage l’utilisation des champs magnétiques synthétiques dans des applications pratiques.

Cet article, par ses recherches théoriques et expérimentales, révèle le phénomène de transport du spin photonique dans les champs magnétiques synthétiques, offrant de nouvelles opportunités pour explorer les applications des photons polarisés dans le traitement de l’information classique et quantique.