Georgia Institute of Technologys forskare har visat ett optiskt metamaterial vars kiroftiska egenskaper i den olinjära regimen ger en betydande spektralförskjutning med effektnivåer i milliwattområdet.

Forskarna visade nyligen egenskaperna hos deras kirala metamaterial, där de spektralt modifierade två absorptiva resonanser genom att stegvis exponera materialet för effektintensiteter bortom dess linjära optiska regim. Med en förändring på 15 milliwatt i exciteringseffekt, de mätte en spektralförskjutning på 10 nanometer i materialets transmissionsresonanser och en 14-graders polarisationsrotation.

Forskarna tror att det kan vara den starkaste olinjära optiska rotationen som någonsin rapporterats för ett kiralt metamaterial, och är ungefär hundra tusen gånger större än det nuvarande rekordmåttet för denna typ av struktur. Forskningen, med stöd av National Science Foundation och Air Force Research Laboratory, rapporterades 27 februari i tidskriften Naturkommunikation .

"Kirala strukturer i nanoskala erbjuder ett tillvägagångssätt för att modulera optiska signaler med relativt små variationer i ineffekt, sa Sean Rodrigues, en Ph.D. kandidat som ledde forskningen i laboratoriet för docent Wenshan Cai vid Georgia Techs School of Electrical and Computer Engineering. "Att se den här typen av förändring i ett så tunt material gör kirotiska metamaterial till en intressant ny plattform för optisk signalmodulering."

Denna modulering av chiroptiska svar från metamaterial genom att manipulera ineffekt erbjuder potentialen för nya typer av aktiv optik som helt optisk omkoppling och ljusmodulering. Teknikerna kan ha tillämpningar inom områden som databehandling, avkänning och kommunikation.

Kirala material uppvisar optiska egenskaper som skiljer sig beroende på deras motsatta cirkulära polarisationer. Skillnaderna mellan dessa svar, som skapas av nanoskala mönster av absorberande material, kan användas för att skapa stora chiroptiska resonanser. För att vara användbar i applikationer som helt optisk omkoppling, dessa resonanser skulle behöva induceras av extern inställning - såsom variationer i effektinmatning.

"När du ökar kraften, du byter spektrum, " sa Rodrigues. "I själva verket, du ändrar transmissionen vid vissa våglängder, vilket betyder att du ändrar mängden ljus som passerar genom provet genom att helt enkelt modifiera ineffekt." För optiska ingenjörer, det kan vara grunden för ett byte.

Materialet som demonstreras av Cais labb är tillverkat av nanomönsterskikt av silver - cirka 33 nanometer tjocka - på glassubstrat. Mellan de noggrant designade silverskikten finns ett 45 nanometers skikt av dielektriskt material. Ett elliptiskt mönster skapas med elektronstrålelitografi, sedan är hela strukturen inkapslad i ett dielektriskt material för att förhindra oxidation.

"Det är konstruktionen av dessa strukturer som ger oss dessa kirala optiska egenskaper, Rodrigues förklarade. "Målet är verkligen att dra fördel av skillnaden mellan en cirkulär polarisering och den andra för att skapa de bredbandsresonanser vi behöver."

Materialet verkar i det synliga till nära-infraröda spektrumet, vid ungefär 740 till 1, 000 nanometer. Mätningarna av optisk rotation och cirkulär dikroism togs med strålen som kom in i materialet i en normal infallsvinkel.

Forskarna inducerade förändringen i cirkulär dikroism genom att öka den optiska effekten som appliceras på materialet från 0,5 milliwatt upp till 15 milliwatt. Även om det är jämförelsevis låg effekt för ett lasersystem, den har ett tillräckligt högt energiflöde (energiöverföring i tid) för att inleda förändring.

"Strålstorleken är ungefär 40 mikron, så det är verkligen fokuserat, " sa Rodrigues. "Vi lägger mycket energi på ett litet område, vilket gör att effekten blir ganska intensiv."

Forskarna vet ännu inte vad som föranleder förändringen, men misstänker att termiska processer kan vara inblandade i att förändra materialets egenskaper för att öka den cirkulära dikroismen. Tester visar att krafttillämpningarna inte skadar metamaterialet.

Cais laboratorium har studerat kirala material av olika slag för en mängd olika optiska tillämpningar. I juni 2015 de rapporterade realiseringen av en av de långvariga teoretiska förutsägelserna i olinjära optiska metamaterial:skapandet av ett olinjärt material som har motsatta brytningsindex vid ljusets fundamentala och harmoniska frekvenser. Ett sådant material, som inte finns naturligt, hade förutspåtts i nästan ett decennium.