ทฤษฎีสนามแม่เหล็ก

ทีมนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีจากมหาวิทยาลัย Exeter ได้บุกเบิกเทคนิคใหม่ในการสร้างสนามแม่เหล็กเทียมที่ปรับแต่งได้ ซึ่งช่วยให้โฟตอนสามารถเลียนแบบไดนามิกของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าในสนามแม่เหล็กจริงได้ ทีมงานเชื่อว่างานวิจัยชิ้นใหม่ซึ่งตีพิมพ์ในวารสารชั้นนำอย่างNature Photonicsอาจมีความหมายที่สำคัญสำหรับอุปกรณ์โทนิคในอนาคต เนื่องจากเป็นวิธีการใหม่ในการจัดการกับแสงที่ต่ำกว่าขีดจำกัดการเลี้ยวเบน เมื่ออนุภาคมีประจุ เช่น อิเล็กตรอน ผ่านสนามแม่เหล็ก พวกมันจะรู้สึกได้ถึงแรงลอเรนซ์เนื่องจากประจุไฟฟ้า ซึ่งทำให้วิถีโคจรของพวกมันโค้งไปรอบๆ เส้นสนามแม่เหล็ก กองกำลังลอเรนซ์นี้มีหน้าที่รับผิดชอบปรากฏการณ์อันน่าทึ่งมากมาย ตั้งแต่แสงเหนือที่สวยงาม ไปจนถึงเอฟเฟกต์ควอนตัมฮอลล์อันโด่งดัง ซึ่งการค้นพบนี้ได้รับรางวัลโนเบล อย่างไรก็ตาม เนื่องจากโฟตอนไม่มีประจุไฟฟ้า จึงไม่สามารถควบคุมโดยตรงได้โดยใช้สนามแม่เหล็กจริง เนื่องจากไม่สัมผัสกับแรงลอเรนซ์ ข้อ จำกัด ที่รุนแรงที่กำหนดโดยกฎพื้นฐานของฟิสิกส์ ทีมวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าเป็นไปได้ที่จะสร้างสนามแม่เหล็กเทียมสำหรับแสงโดยการบิดเบือน metasurfaces ของรังผึ้ง ซึ่งเป็นพื้นผิว 2 มิติที่บางเฉียบ ซึ่งได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมให้มีโครงสร้างในระดับที่เล็กกว่าความยาวคลื่นของแสงมาก ทีมงานของ Exeter ได้รับแรงบันดาลใจจากการค้นพบที่น่าทึ่งเมื่อ 10 ปีที่แล้ว ซึ่งแสดงให้เห็นว่าอิเล็กตรอนที่แพร่กระจายผ่านเมมเบรนกราฟีนที่ตึงเครียดนั้นประพฤติตัวราวกับว่าพวกมันอยู่ภายใต้สนาม แม่เหล็ก ขนาดใหญ่ ข้อเสียเปรียบที่สำคัญของแนวทางวิศวกรรมความเครียดนี้คือการปรับสนามแม่เหล็กเทียมนั้นจำเป็นต้องปรับเปลี่ยนรูปแบบความเครียดด้วยความแม่นยำ ซึ่งเป็นสิ่งที่ท้าทายอย่างยิ่ง หากไม่ใช่ไปไม่ได้ สำหรับโครงสร้างโฟโตนิก นักฟิสิกส์ของ Exeter ได้เสนอวิธีแก้ปัญหาที่สวยงามเพื่อเอาชนะการขาดความสามารถในการปรับแต่งพื้นฐานนี้ ชาร์ลี-เรย์ แมนน์ นักวิทยาศาสตร์หลักและผู้เขียนงานวิจัยนี้อธิบายว่า "เมตาพื้นผิวเหล่านี้สนับสนุนการกระตุ้นของสสารแสงแบบไฮบริดที่เรียกว่าโพลาริตอน ซึ่งติดอยู่บนเมตาพื้นผิว "จากนั้นพวกมันจะถูกเบี่ยงเบนโดยการบิดเบือนใน metasurface ในลักษณะเดียวกับที่สนามแม่เหล็กเบี่ยงเบนอนุภาคที่มีประจุ "โดยการใช้ประโยชน์จากธรรมชาติแบบไฮบริดของโพลาริตอน เราแสดงให้เห็นว่าคุณสามารถปรับแต่งสนามแม่เหล็กเทียมได้โดยการปรับเปลี่ยนสภาพแวดล้อมแม่เหล็กไฟฟ้าจริงที่อยู่รอบๆ เมตาเซอร์เฟส" สำหรับการศึกษานี้ นักวิจัยได้ฝังเมตาพื้นผิวระหว่างกระจกสองบาน ซึ่งเรียกว่าโฟโตนิกคาวิตี้ และแสดงให้เห็นว่าเราสามารถปรับสนามแม่เหล็กเทียมได้โดยเปลี่ยนเฉพาะความกว้างของโฟโตนิกคาวิตี้ ซึ่งจะทำให้ไม่จำเป็นต้องแก้ไขการบิดเบือนใน metasurface. ชาร์ลีกล่าวเสริมว่า: "เราได้แสดงให้เห็นว่าคุณสามารถปิดสนามแม่เหล็กเทียมได้ทั้งหมดที่ความกว้างของโพรงวิกฤต โดยไม่ต้องลบความผิดเพี้ยนในเมตาเซอร์เฟส ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่สามารถทำได้ในกราฟีนหรือระบบใดๆ ที่เลียนแบบกราฟีน "การใช้กลไกนี้ทำให้วงโคจรของโพลาริตอนโค้งงอได้โดยใช้แรงแบบ Lorentz ที่ปรับได้ และยังสังเกตการบอกปริมาณของ Landau ของวงโคจรของโพลาริตอน ไซโคลตรอน โดยเปรียบเทียบโดยตรงกับสิ่งที่เกิดขึ้นกับอนุภาคที่มีประจุในสนามแม่เหล็กจริง "ยิ่งไปกว่านั้น เราได้แสดงให้เห็นว่าคุณสามารถกำหนดค่าสเปกตรัมระดับโพลาริตอน Landau ใหม่ได้อย่างมากเพียงแค่เปลี่ยนความกว้างของโพรง" ดร. อีรอส มาริอานี หัวหน้าผู้ดูแลการศึกษากล่าวว่า "ความสามารถในการจำลองปรากฏการณ์ด้วยโฟตอนที่ปกติคิดว่าเป็นเอกสิทธิ์เฉพาะของอนุภาคมีประจุเป็นเรื่องที่น่าสนใจจากมุมมองพื้นฐาน แต่ก็อาจมีนัยยะสำคัญสำหรับการประยุกต์ใช้โฟโตนิกส์ด้วย . "เรารู้สึกตื่นเต้นที่จะเห็นว่าการค้นพบนี้นำไปสู่จุดใด เนื่องจากทำให้เกิดคำถามที่น่าสนใจมากมาย ซึ่งสามารถสำรวจได้ในแพลตฟอร์มการทดลองต่างๆ มากมายทั่วทั้งสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า"