Forskare från CIC nanoGUNE (San Sebastian, Spanien) och samarbetspartners har rapporterat in Vetenskap utvecklingen av en så kallad hyperbolisk metasyta på vilken ljuset förökar sig med helt omformade wafefrontar. Denna vetenskapliga prestation mot mer exakt kontroll och övervakning av ljus är mycket intressant för miniatyriserande optiska enheter för avkänning och signalbehandling.

Optiska vågor som sprider sig bort från en punktkälla uppvisar vanligtvis cirkulära (konvexa) vågfronter. "Som vågor på en vattenyta när en sten tappas, "säger Peining Li, EU Marie Sklodowska-Curie-stipendiat på nanoGUNE och första författare till tidningen. Anledningen till denna cirkulära utbredning är att mediet genom vilket ljus färdas typiskt är homogent och isotropiskt, d.v.s. enhetlig i alla riktningar.

Forskare hade teoretiskt förutspått att specifikt strukturerade ytor kan vända ljusets vågfront upp och ner när det sprider sig längs dem. "På sådana ytor, kallas hyberboliska metasytor, vågorna som avges från en punktkälla förökar sig endast i vissa riktningar, och med öppna (konkava) vågfronter, "förklarar Javier Alfaro, Ph.D. student på nanoGUNE och medförfattare av tidningen. Dessa ovanliga vågor kallas hyperboliska ytpolaritoner. Eftersom de sprider sig bara i vissa riktningar, och med våglängder som är mycket mindre än ljusets i fritt utrymme eller standardvågledare, de kan hjälpa till att miniatyrisera optiska enheter för avkänning och signalbehandling.

Nu, forskarna har utvecklat en sådan metasyta för infrarött ljus. Den är baserad på bornitrid, ett grafenliknande 2-D-material, som valdes på grund av dess förmåga att manipulera infrarött ljus på extremt små längder. Detta har tillämpningar i miniatyriserade kemiska sensorer eller för värmehantering i nanoskala optoelektroniska enheter. Forskarna observerade direkt de konkava vågfronterna med ett speciellt optiskt mikroskop.

Hyperboliska metasytor är utmanande att tillverka, eftersom en extremt exakt strukturering på nanometerskalan krävs. Irene Dolado, Ph.D. student på nanoGUNE, och Saül Vélez, tidigare postdoktor vid nanoGUNE (nu vid ETH Zürich) klarade denna utmaning med hjälp av elektronstråle litografi och etsning av tunna flingor av högkvalitativ bornitrid från Kansas State University. "Efter flera optimeringssteg, vi uppnådde den nödvändiga precisionen och erhöll gitterstrukturer med spaltstorlekar så små som 25 nm, "Säger Dolado." Samma tillverkningsmetoder kan också tillämpas på andra material, som kan bana väg för att förverkliga konstgjorda metasytstrukturer med skräddarsydda optiska egenskaper, "tillägger Saül Vélez.

För att se hur vågorna sprider sig längs metasytan, forskarna använde en toppmodern infraröd nanoimaging-teknik som var banbrytande av nanoptikgruppen på nanoGUNE. De placerade först en infraröd guld -nanorod på metasytan. "Den spelar rollen som en sten som faller i vattnet, "säger Peining Li. Nanoroden koncentrerar infallande infrarött ljus till en liten fläck, som skjuter upp vågor som sedan förökar sig längs metasytan. Med hjälp av ett så kallat scanning-near-field-mikroskop (s-SNOM) av scanningstyp avbildade forskarna vågorna. "Det var fantastiskt att se bilderna. De visade verkligen den konkava krökningen hos de vågfronter som förökade sig från guldnanoroden, precis som förutsagt av teorin, "säger Rainer Hillenbrand, Ikerbasque Professor på nanoGUNE, som ledde arbetet.

Resultaten lovar att nanostrukturerade 2-D-material ska bli en ny plattform för hyberboliska metaytor och kretsar, och demonstrera vidare hur nära-fältmikroskopi kan tillämpas för att avslöja exotiska optiska fenomen i anisotropa material och för att verifiera nya metasy-design-principer.