Ser på optiske Fano-resonanser under et nyt lys

I 1961, fysiker Ugo Fano gav den første teoretiske forklaring på en unormal asymmetri observeret i ædelgassens spektralprofiler. Han fremlagde en virkningsfuld fortolkning af dette fænomen, nu kaldet 'Fano-resonans, ', der angiver, at hvis en diskret exciteret tilstand af et system falder inden for energiområdet for et kontinuum af andre mulige tilstande, disse to kan interferere med hinanden og give anledning til unormale toppe og dyk i systemets frekvensgang.

Selvom Fano-resonans kan forekomme i forskellige fysiske systemer, nylige fremskridt inden for metasurfaces og nanoteknologi har henledt opmærksomheden på dette fænomen som et potentielt stærkt værktøj inden for optik. Den konventionelle forståelse af optiske Fano-resonanser er, at de er selektive i momentum-frekvensdomænet; med andre ord, de kan kun exciteres af plane lysbølger med specifikke frekvenser og indfaldsvinkler, dermed begrænse deres anvendelighed. Men kunne dette billede faktisk være ufuldstændigt?

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Avanceret fotonik , forskerne Adam Overvig og Andrea Alù fra Advanced Research Center, City University of New York, USA, undersøgte Fano-resonante metasurfaces og opdagede nye egenskaber, der kunne frigøre deres sande potentiale. Overvig og Alù gik ud over de periodiske metaoverflader, der konventionelt bruges til at fremkalde Fano-resonanser, beviser, at streng periodicitet faktisk ikke er nødvendig for at muliggøre dette fænomen, og som et resultat tegner eksisterende metasurfacer kun for en specifik delmængde af Fano-resonanserne, der kan opstå i optiske systemer.

Et generelt eksempel er nyttigt for at få den overordnede kerne af undersøgelsen. En konventionel, periodisk Fano-resonant metasurface tilbyder stærk polarisering, og både spektral og vinkelselektivitet. Det betyder, at systemet næsten ikke reflekterer lys af en given frekvens, indfaldsvinkel, og polarisering, medmindre de specifikt matcher dens Fano-resonans (i hvilket tilfælde, perfekt refleksion opstår). Som nævnt før, et andet vigtigt aspekt ved sådanne periodiske metaoverflader er, at de kun kan gennemgå Fano-resonanser, hvis de indfaldende lysbølger har en plan bølgefront. I skarp kontrast til disse begrænsninger, forskerne beviste, at det er muligt at lave en ikke-periodisk metasflade, der opnår perfekt refleksion, nysgerrigt ledsaget af fasekonjugering af de indkommende felter, til lysbølger med en vilkårligt skræddersyet bølgefrontform og -form.

Overvig og Alù demonstrerede matematisk, at disse metaoverflader kan bygges ved strategisk at introducere ikke-periodiske forstyrrelser i ellers meget periodiske fotoniske krystalplader. Deres arbejde kaster lys over endnu uudforskede aspekter af optisk Fano-resonans, udvider konceptet ud over konventionel forståelse.

Den foreslåede strategi har flere relevante anvendelser, som opsummeret af Alù:"Vores konstatering generaliserer begrebet Fano-resonans, viser, at det ikke nødvendigvis er forbundet med en plan bølgefront. I praksis, dette muliggør en ny klasse af optiske enheder, der er gennemsigtige og svagt interagerende med det indkommende lys for de fleste excitationer, men som på en eller anden måde udløses af en specifik bølgefrontform, frekvens, og polarisering, som kan vælges efter design. Kun under denne specifikke excitationstilstand, enheden bliver meget reflekterende og sender en tidsomvendt version af det specifikke input tilbage."

Han uddyber funktionaliteten af ​​sådanne enheder:"Et eksempel kan være en gennemsigtig overflade, der kan belyses fra enhver vinkel og enhver frekvens og polarisering, og det er altid gennemsigtigt. Imidlertid, hvis du belyser den med en lokaliseret punktkilde, der kun er placeret på et bestemt sted, med den præcise frekvens og polarisering, al inputenergi reflekteres og fokuseres tilbage på kildens placering."

Det introducerede koncept med generaliserede Fano-resonanser kunne bane vejen for sofistikerede metamaterialer, der manipulerer lys på nye måder, med spændende applikationer i et uensartet antal scenarier, ikke begrænset til optik, men kan også udvides til akustik og andre bølgefænomener.