Kæmpe iboende chiralitet fra plane dielektriske nanostrukturer

Harvard-forskere har udviklet en metasurface bestående af et enkelt plant lag af nanostrukturer, der udviser stærk optisk chiralitet i transmission. Dette betyder, at den kan lade cirkulært polariseret lys af en polarisering passere næsten uhindret, mens lys med den modsatte helicitet afbrydes fuldstændigt. Sådanne funktioner er utrolig nyttige til en lang række applikationer, herunder cirkulær dikroismespektroskopi i analysen af ​​lægemiddelprøver, og polarisationsfiltre i telekommunikation.

Dette arbejde udfordrer nogle langvarige forestillinger om chirale metamaterialer og metaoverflader. "Tidligere folk troede, at for at opnå en stærk, iboende kiro-optisk respons, strukturerne skulle være komplicerede tredimensionelle former, såsom proptrækkere eller helixer, for at bryde symmetrien ", siger prof. Federico Capasso fra Harvard University. "Disse 3-D metamaterialer var ekstremt vanskelige at fremstille i stor skala. Med dette arbejde, vi viste, at selv et plant lag af dielektriske nanostrukturer, hvis tykkelse er i størrelsesordenen af ​​den indfaldende bølgelængde, kan udvise stærk iboende chiralitet. Dette giver en praktisk måde for sådanne enheder at blive implementeret i forskellige applikationer, da de nu kan laves i et enkelt litografisk trin."

Forfatterne var i stand til at opnå dette ved at bruge gammadionformede nanostrukturer lavet af titaniumoxid, et relativt højt indeks dielektrisk materiale. "Dette giver os mulighed for at skabe plane strukturer med et stærkt magnetisk moment i planet, uden at ty til 3-D geometri. Ved yderligere at optimere in-plane parametrene for gammadions, vi kan opnå den nødvendige kobling mellem de elektriske og magnetiske momenter for at observere stærk iboende kiro-optisk aktivitet, " siger Alexander Zhu, første forfatter til undersøgelsen.

Forfatterne opnåede eksperimentelt op til 80% cirkulær dikroisme i transmission ved grønne bølgelængder, med mere end 90 procent af lyset med den korrekte helicitet transmitteret ved normal indfald. Dette resultat er på niveau med de avancerede 3D-metamaterialer og overgår i høj grad plane modparter under lignende forhold.

Yderligere analyse peger på noget rig fysik, der ligger til grund for dette fænomen med gigantisk iboende chiralitet i plane strukturer. Forfatterne fandt, at den optiske respons af gammadion-strukturerne er domineret af højere ordens multipoler, såsom den toroidale quadrupol og magnetiske octupol. I naturligt forekommende medier, så høje ordrer er forsvindende små, sådan, at kun dipolreaktioner typisk observeres. Imidlertid, deres eksistens er kritisk, da dipoltilstande primært udstråler langs normal incidens, hvorimod den primære strålingsretning for tilstande af højere orden er off-normal. Dette giver en vis indsigt i design og optimering af disse nanostrukturer. Forfatterne søger nu at forbedre disse resultater yderligere og udvikle en hurtig, effektiv sensor til spektroskopisk detektion af chirale forbindelser.

Denne forskning er blevet publiceret i tidsskriftet Lys:Videnskab og applikationer .