東京工業(yè)大學(xué)和光子科學(xué)研究所的科學(xué)家們開發(fā)了一種從最終對(duì)稱結(jié)構(gòu)：球體產(chǎn)生圓偏振光的方法。他們的方法涉及通過電子束激發(fā)破壞球的固有對(duì)稱性，從而可以精確地控制發(fā)射光的相位和偏振。此方法可用于在圓偏振光的相位和偏振方向上編碼信息，從而實(shí)現(xiàn)新穎的量子通信和加密技術(shù)。

光波具有稱為極化的特性，在通信和信息技術(shù)中具有巨大的潛力。該特性與垂直于波的傳播方向的振蕩的取向有關(guān)。極化的簡(jiǎn)單類型是靜態(tài)的，例如，純垂直或水平極化。但是，也存在圓極化，其中，隨著波傳播，振蕩的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

圓偏振光的光(CPL)是下一代的技術(shù)，例如量子通信和加密的關(guān)鍵成分。CPL可以具有右旋或左旋極化，具體取決于振蕩旋轉(zhuǎn)的方向。圓偏振的這種“二進(jìn)制”特性可用于以魯棒的方式對(duì)光中的信息進(jìn)行編碼。換句話說，接收者不太可能將右手CPL誤認(rèn)為左手CPL。因此，開發(fā)能夠產(chǎn)生CPL的發(fā)射器是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。

產(chǎn)生CPL的一種新興方法是使用二維非手性結(jié)構(gòu)。單詞“非手性”類似于“對(duì)稱”，這意味著非手性結(jié)構(gòu)的鏡像與原始對(duì)象是無法區(qū)分的。但是，對(duì)稱物體如何發(fā)出具有兩種不同圓偏振模式的光?答案是“外部對(duì)稱性破壞”，由此受控的局部激發(fā)或經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的檢測(cè)方案會(huì)導(dǎo)致非手性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生具有所需方向的CPL。在ACS Nano上發(fā)表的最新研究中，日本東京科技大學(xué)和西班牙ICFO的科學(xué)家們找到了一種從最終對(duì)稱結(jié)構(gòu)(球體)生成CPL的方法。

球形納米粒子充當(dāng)全向天線，并且非手性需要打破外部對(duì)稱性才能產(chǎn)生CPL。用他們的新穎方法，科學(xué)家團(tuán)隊(duì)用電子束照射了球形納米顆粒，從而觸發(fā)了一種稱為“陰極致發(fā)光”的現(xiàn)象。此過程是20世紀(jì)電視顯示器的基礎(chǔ)，涉及高能電子撞擊到材料上并將多個(gè)局部電子激發(fā)到更高的能態(tài)，然后將這些過量的能量作為光子發(fā)射出去。主持這項(xiàng)研究的三宮拓三副教授說：“電子束的使用是激發(fā)精確光學(xué)模式的一種通用方法，并為按需生成CPL帶來了潛在的優(yōu)勢(shì)。”

但是，當(dāng)使用球體時(shí)，需要適當(dāng)設(shè)計(jì)的激勵(lì)方案來實(shí)現(xiàn)所需的對(duì)稱性破壞?？茖W(xué)家們提出了一種從球體產(chǎn)生左手和右手CPL的方法，而不是一種，而是兩種不同的方法。第一種方法涉及操縱由電子束在球體中感應(yīng)的兩個(gè)電偶極子之間的相位差。另一種方法是利用磁偶極子和電偶極子之間產(chǎn)生的干擾。

為了實(shí)驗(yàn)地觀察球形納米顆粒產(chǎn)生的CPL ，科學(xué)家開發(fā)了一種稱為四維STEM-CL的旋光技術(shù)，該技術(shù)是“掃描透射電子顯微鏡-陰極發(fā)光”的縮寫。值得注意的是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果幾乎與嚴(yán)格的理論分析的預(yù)測(cè)完全吻合。Sannomiya對(duì)此結(jié)果感到興奮，得出結(jié)論：“我們的方法在開發(fā)可定制CPL光源方面具有巨大潛力，因此可以通過電子束的定位輕松控制發(fā)射光的相位和偏振度。” 這種新穎方法的多功能性可以極大地用于編碼有關(guān)相位和極化的信息 的光子，實(shí)現(xiàn)了新的通信和加密方法。