A mágneses mezők alkalmazása az elektronok irányítására az elektronika egyik alapelve, minden elektromos eszköz ezen alapul. Amikor egy elektron megközelít egy mágneses mezőt, ellenállással találja szembe magát, és a legkisebb erőkifejtést igénylő útvonalat választja, cirkuláris mozgásba kezdve a mező körül. Az amerikai Stanford Egyetem kutatói kifejlesztettek egy szintetikus mágnesességet alkalmazó eszközt, ami hasonló hatást gyakorol az elektromos töltéssel nem rendelkező fotonokra.

A Nature Photonics szaklapban leírt megoldás megsérti a fizika egyik alaptörvényét, a fény időtükrözési szimmetriáját, az eszközök egy teljesen új osztályához vezetve el, ami az elektromosság helyett fényt használ a gyorsítóktól a mikroszkópokon át, a gyorsabb on-chip kommunikációkig bezáróan számos alkalmazás esetében. "Ez a fény áramlásának egy alapjaiban új módja, ami egy korábban nem tapasztalt fotonvezérlést tesz lehetővé" - mondta Shanhui Fan, a Stanford villamosmérnök professzora, a tanulmány szerzője.

A Stanford megoldása a fotonikus kristályok legújabb kutatási eredményeit használja fel. A fotonikus kristályok bizonyos hullámhosszúságú fénnyel szemben hasonlóan viselkednek, mint a félvezetők a "tiltott sávjukba" eső energiájú elektronokkal szemben. A kristályszerkezet meggátolja a fény terjedését egy bizonyos hullámhossz tartományban, azaz a tiltott sávba eső energiájú foton nem képes terjedni a szerkezetben, tökéletesen visszaverődik róla. Eszközük megépítéséhez a kutatók megalkottak egy szilíciumba mart parányi mélyedésekből álló hálót, létrehozva a fotonikus kristályt. Megfelelő mennyiségű elektromosságot vezetve a hálóra képesek voltak kontrollálni, vagy "harmonikusan hangolni" a fotonikus kristályt, mágnesességet szintetizálva, ezáltal egy virtuális erőt fejtve ki a fotonokra. A kutatók ezt a szintetikus mágnesességet effektív mágneses mezőnek nevezték el.

Fan elmondása szerint, csapata képes volt megváltoztatni egy foton pályájának sugarát a fotonikus kristályon alkalmazott elektromosság változtatásával, illetve a rendszerbe belépő fotonok sebességének manipulálásával. Ez a kettős mechanizmus nagy fokú irányítást tesz lehetővé a foton pályája felett, lehetővé téve a kutatóknak a fény tetszés szerinti vezetését.


A Stanford csapata, Kejie Fang az egyetem fizika tanszékének doktorandusza, valamint Shanhui Fan professzor és Zongfu Yu, a mérnöki kar tanárai.
Az időtükrözési szimmetria megsértése a gyakorlatban azt jelenti, hogy egy előre haladó foton más tulajdonságokkal fog rendelkezni, mint amikor visszafelé halad, ami fontos műszaki lehetőségeket eredményez. "Az időtükrözési szimmetria megsértése kulcsfontosságú, mivel a fény vezérlésének új útjait nyitja meg előttünk. Képesek vagyunk például teljesen meggátolni a fény visszafelé haladását, megszüntetve a tükröződést" - magyarázta Fan.

Az új eszköz megoldhatja a jelenlegi száloptikai kábeleket alkalmazó fotonikus rendszerek egyik nagy problémáját. A fotonok hajlamosak visszafordulni ezekben a rendszerekben, visszaverődő zajt, úgynevezett visszaszórást idézve elő, ami csökkenti a teljesítményüket. Az új eszközzel azonban amint egy foton belépett, képtelen visszafordulni. A kutatók meggyőződése szerint ez a képesség lesz a jövő műszaki alkalmazásainak kulcsa, mivel kiküszöbölhetők vele olyan rendellenességek, mint a jelvesztés, ami igen gyakori a száloptikás és más fényvezérelt mechanizmusok esetében.