Harvard -forskare har utvecklat en metasyta som består av ett enda plant lager av nanostrukturer som uppvisar stark optisk kiralitet vid överföring. Detta betyder att det kan låta cirkulärt polariserat ljus från en polarisation passera nästan obehindrat, medan ljuset från den motsatta heliciteten är helt upplöst. Sådana funktioner är otroligt användbara för en mängd applikationer, inklusive cirkulär dikroismspektroskopi vid analys av läkemedelsprover, och polarisationsfilter inom telekommunikation.
Detta arbete utmanar några länge hållna föreställningar om kirala metamaterial och metasytor. "Tidigare, människor trodde att för att uppnå en stark, inneboende chiro-optiskt svar, strukturerna måste vara komplicerade tredimensionella former, såsom korkskruvar eller spiraler, för att bryta symmetrin ", säger professor Federico Capasso från Harvard University. "Dessa 3D-metamaterial var extremt svåra att tillverka i stor skala. Med detta arbete, vi visade att även ett plant lager av dielektriska nanostrukturer vars tjocklek är i storleksordningen för den infallande våglängden kan uppvisa stark inneboende kiralitet. Detta erbjuder ett praktiskt sätt för sådana enheter att implementeras i olika applikationer eftersom de nu kan göras i ett enda litografiskt steg. "
Författarna kunde uppnå detta med hjälp av gammadionformade nanostrukturer gjorda av titanoxid, ett dielektriskt material med relativt högt index. "Detta gör att vi kan skapa plana strukturer med ett starkt magnetiskt moment i planet, utan att tillgripa 3D-geometri. Genom att ytterligare optimera parametrarna i planet för gammadionerna, vi kan uppnå den nödvändiga kopplingen mellan de elektriska och magnetiska momenten för att observera stark inneboende chiro-optisk aktivitet, "säger Alexander Zhu, första författaren till studien.
Författarna uppnådde experimentellt upp till 80% cirkulär dikroism vid överföring vid gröna våglängder, med mer än 90 procent av ljuset med rätt helicitet som överförs vid normal förekomst. Detta resultat är i nivå med de toppmoderna 3D-metamaterialen och överstiger kraftigt plana motsvarigheter under liknande förhållanden.
Ytterligare analys pekar på en viss rik fysik som ligger bakom detta fenomen av gigantisk inneboende kiralitet i plana strukturer. Författarna fann att det optiska svaret hos gammadionstrukturerna domineras av multipolar av högre ordning, såsom toroidal quadrupol och magnetisk octupole. I naturligt förekommande media, så höga order är försvinnande små, så att endast dipolsvar normalt observeras. Dock, deras existens är kritisk, eftersom dipollägen huvudsakligen utstrålar längs normal förekomst, medan den primära strålningsriktningen för högre ordningslägen är utanför normalen. Detta ger viss inblick i utformningen och optimeringen av dessa nanostrukturer. Författarna försöker nu förbättra dessa resultat ytterligare och utveckla en snabb, effektiv sensor för spektroskopisk detektion av kirala föreningar.
Denna forskning har publicerats i tidskriften Ljus:Vetenskap och tillämpningar .
