I grunden beskriver Tellegen‑effekten (eller den magnetoelektriska effekten) ett märkligt fenomen där elektricitet och magnetism är permanent sammankopplade inuti ett material — applicerar man ett elektriskt fält får man också ett magnetiskt svar, och vice versa, även när ingenting förändras i tiden. I vanliga material samverkar elektricitet och magnetism främst när något rör sig eller varierar, som i generatorer. Ett Tellegen‑material skulle däremot ha denna koppling inbyggd på en fundamental nivå.
Forskarna från Göteborg, Aalto och Stanford rapporterar nu vad de menar är den första experimentella detektionen av Tellegen‑effekten i det synliga spektrat. I stället för att förlita sig på naturligt förekommande material konstruerade teamet en metayta — ett noggrant designat lager av nanostrukturerade byggstenar, så kallade meta-atomer — och uppnådde en effekt som är omkring 100 gånger starkare än i något känt naturligt material.
I stället för att skicka ljus genom ett tjockt prov fokuserade forskarna på vad som händer precis vid ytan, där ljuset först möter materialet. Där visar sig Tellegen‑effekten tydligast i form av en karakteristisk korspolariserad reflektion som förändras beroende på ljusets infallsvinkel. Enkelt uttryckt: detta är ingen vanlig spegel — det är mer som en spegel som beter sig olika beroende på hur ljuset närmar sig.
- Det handlar om att ge ljuset en sorts enkelriktat ‘minne’ vid en yta, säger Alexander Friemann Dmitriev, professor och prefekt vid Fysikinstitutionen.
- I vanliga material ser interaktionen i princip likadan ut om man vänder ljusets riktning. I vår metasurface kan reflektionen förändras på ett sätt som signalerar verkligt icke‑reciprokt beteende.
Där ljuset möter materialet
Forskarna betonar att själva gränsytan är avgörande.
- Det enklaste sättet att se Tellegen‑effekten är inte att skicka ljus genom ett tjockt block, förklarar Dr. Ihar Faniayeu. Den framträder starkast vid gränsen — precis där ljuset möter materialet. Därför är reflektion den viktigaste signaturen.
I sina experiment observerade forskarna en reflekterad signal känd som korspolariserad reflektion, vilket visar att ytan gör något bortom standardoptik. Avgörande är att svaret är icke‑reciprokt — det beror på ljusets fortplantningsriktning och kan inte helt återställas genom att bara gå tillbaka längs samma optiska väg.
- Om många optiska ytor fungerar som speglar som följer samma regler i båda riktningarna, så är detta mer som en spegel som kan bete sig olika beroende på hur ljuset kommer in, säger Ihar Faniayeu.
Genom att gå från bulk‑material till en specialdesignad, resonant metasurface — och genom att skapa ett system som inte kräver något yttre magnetfält — har forskarna öppnat en praktisk väg mot icke‑reciproka optiska komponenter utan extern bias. Utöver den teknologiska potentialen innebär resultatet att en länge teoretisk idé nu träder fram tydligt i experiment, och visar att noggrant konstruerade ytor kan få ljus att bete sig på sätt som naturen annars nästan aldrig tillåter.
