Forskere vender lyset på hovedet

Forskere fra CIC nanoGUNE (San Sebastian, Spanien) og samarbejdspartnere har rapporteret i Videnskab udviklingen af ​​en såkaldt hyperbolsk metasoverflade, hvor lyset formerer sig med fuldstændigt omformede wafefronts. Denne videnskabelige præstation mod mere præcis kontrol og overvågning af lys er yderst interessant for miniaturisering af optiske enheder til sansning og signalbehandling.

Optiske bølger, der formerer sig væk fra en punktkilde, udviser typisk cirkulære (konvekse) bølgefronter. "Som bølger på en vandoverflade, når en sten tabes, " siger Peining Li, EU Marie Sklodowska-Curie-stipendiat hos nanoGUNE og første forfatter af papiret. Årsagen til denne cirkulære formering er, at mediet, hvorigennem lyset bevæger sig, typisk er homogent og isotropt, dvs. ensartet i alle retninger.

Forskere havde teoretisk forudsagt, at specifikt strukturerede overflader kan vende lysets bølgefronter på hovedet, når det formerer sig langs dem. "På sådanne overflader, kaldet hyberboliske metasurfaces, bølgerne udsendt fra en punktkilde formerer sig kun i bestemte retninger, og med åbne (konkave) bølgefronter, "forklarer Javier Alfaro, Ph.d. studerende på nanoGUNE og medforfatter til papiret. Disse usædvanlige bølger kaldes hyperbolske overfladepolaritoner. Fordi de kun formerer sig i bestemte retninger, og med bølgelængder, der er meget mindre end lysets i det frie rum eller standardbølgeledere, de kunne hjælpe med at miniaturisere optiske enheder til sansning og signalbehandling.

Nu, forskerne har udviklet en sådan metasurface til infrarødt lys. Det er baseret på bornitrid, et grafenlignende 2-D-materiale, som blev valgt på grund af dets evne til at manipulere infrarødt lys på skalaer med ekstremt lille længde. Dette har applikationer i miniaturiserede kemiske sensorer eller til varmestyring i optoelektroniske enheder i nanoskala. Forskerne observerede direkte de konkave bølgefronter med et specielt optisk mikroskop.

Hyperbolske metaoverflader er udfordrende at fremstille, fordi en ekstrem præcis strukturering på nanometerskalaen er påkrævet. Irene Dolado, Ph.d. studerende på nanoGUNE, og Saül Vélez, tidligere postdoc-forsker ved nanoGUNE (nu ved ETH Zürich) mestrede denne udfordring ved hjælp af elektronstrålelitografi og ætsning af tynde flager af højkvalitets bornitrid leveret af Kansas State University. "Efter flere optimeringstrin, vi opnåede den krævede præcision og opnåede gitterstrukturer med mellemrumsstørrelser så små som 25 nm, " siger Dolado. "De samme fremstillingsmetoder kan også anvendes på andre materialer, som kunne bane vejen for at realisere kunstige metasurface strukturer med specialfremstillede optiske egenskaber, "tilføjer Saül Vélez.

For at se, hvordan bølgerne formerer sig langs metaoverfladen, forskerne brugte en state-of-the-art infrarød nanobilledteknik, som blev udviklet af nanooptikgruppen på nanoGUNE. De placerede først en infrarød guld -nanorod på metasoverfladen. "Det spiller rollen som en sten, der er faldet i vand, "siger Peining Li. Nanoroden koncentrerer indfaldende infrarødt lys til et lille sted, som udsender bølger, der derefter formerer sig langs metaoverfladen. Ved hjælp af et såkaldt scattering-type scanning near-field microscope (s-SNOM) afbildede forskerne bølgerne. "Det var fantastisk at se billederne. De viste faktisk den konkave krumning af de bølgefronter, der forplantede sig væk fra guldnanoroden, præcis som forudsagt af teori, " siger Rainer Hillenbrand, Ikerbasque Professor hos nanoGUNE, der ledede arbejdet.

Resultaterne lover nanostrukturerede 2-D materialer at blive en ny platform for hyberboliske metasurface-enheder og kredsløb, og yderligere demonstrere, hvordan nærfeltsmikroskopi kan anvendes til at afsløre eksotiske optiske fænomener i anisotrope materialer og til at verificere nye metasurface designprincipper.