En række perfekte kugler i nanometerskala, der kan kontrollere strømmen af ​​synligt lys, kan finde anvendelse i usynlighedskapper

Et materiales optiske egenskaber bestemmes overvejende af dets atomer og elektroner og den måde, disse reagerer på elektromagnetiske bølger. I naturlige materialer, mangfoldigheden af ​​mulige optiske egenskaber er begrænset, og derfor giver metamaterialer - kunstige strukturer konstrueret til at kontrollere udbredelsen af ​​lys - håb for en overflod af nye optiske applikationer.

Arseniy Kuznetsov og Boris Luk'yanchuk ved A*STAR Data Storage Institute, Singapore, og deres medarbejdere, har nu skabt en ny type tredimensionelt metamateriale, der kan påvirke både de elektriske og magnetiske dele af synligt lys. Deres tilgang giver en enkel vej til at konstruere usædvanlige enheder såsom optiske kapper, som muliggør 'usynlighed', og hyperlinser, der tilbyder superopløsning.

Metamaterialer er arrays af subbølgelængde metalliske strukturer kaldet meta-atomer, som er blevet konstrueret til at efterligne atomer og deres interaktion med lys. "Metamaterialer giver en ny vej til at kontrollere lys på nanoskala, " forklarer Luk'yanchuk. "De baner vejen for nye optiske elementer med unikke funktionaliteter, som ikke kan opnås med naturlige materialer."

En almindelig tilgang, der tages af forskere af optiske metamaterialer, er at konstruere meta-atomer fra ringe af metal, der hver indeholder en lille pause. Disse såkaldte split-ring-resonatorer skal være et par hundrede nanometer eller mindre i størrelse for at arbejde med synligt lys, og eventuelle fysiske ufuldkommenheder begrænser deres ydeevne alvorligt.

At designe en splitring-resonator med både de elektriske og magnetiske egenskaber, der kræves for at interagere med disse to forskellige komponenter af elektromagnetiske bølger, har også vist sig at være en udfordring. "Magnetisk resonans ved synlige frekvenser kunne ikke opnås med standard, flad split-ring resonator design, " siger Luk'yanchuk.

Nu, Kuznetsov og Luk'yanchuks team har vist, at en tredimensionel version af denne struktur - split-ball-resonatoren - kunne føre til næsten fejlfri metamaterialer med en stærk elektrisk og magnetisk respons.

Brug af standard nanofabrikationsteknikker, forskerne skabte først en række guld- eller sølvskiver på et substrat. De affyrede derefter en højeffektlaser mod hver skive, så den smeltede og dannede en væskedråbe, som størknede til en perfekt sfære, dermed eliminere fejl. Endelig, holdet brugte en stråle af heliumioner til at ætse en rende ind i hver nanosfære (se billede).

Forskerne bekræftede, at deres split-ball resonatorer viste en magnetisk resonans inden for det synlige spektrum, demonstrerer en styrket evne til at 'tune' de optiske responser af metamaterialer.

I fremtiden, forskerne kunne bruge den samme metode til at mønstre mere komplicerede tredimensionelle træk på meta-atomerne, hvilket ville muliggøre endnu mere komplekse måder at manipulere lys på.