1961, fysikern Ugo Fano gav den första teoretiska förklaringen till en anomal asymmetri som observerats i ädelgasernas spektrala profiler. Han lade fram en effektfull tolkning av detta fenomen, nu kallad 'Fano-resonans, som anger att om ett diskret exciterat tillstånd i ett system faller inom energiområdet för ett kontinuum av andra möjliga tillstånd, dessa två kan störa varandra och ge upphov till onormala toppar och fall i systemets frekvenssvar.

Även om Fano-resonans kan förekomma i olika fysiska system, de senaste framstegen inom metasytor och nanoteknik har uppmärksammat detta fenomen som ett potentiellt kraftfullt verktyg inom optik. Den konventionella förståelsen av optiska Fano-resonanser är att de är selektiva i momentum-frekvensdomänen; med andra ord, de kan endast exciteras av plana ljusvågor med specifika frekvenser och infallsvinklar, vilket begränsar deras tillämplighet. Men kan den här bilden verkligen vara ofullständig?

I en ny studie publicerad i Avancerad fotonik , forskarna Adam Overvig och Andrea Alù från Advanced Research Center, City University of New York, USA, undersökte Fano-resonanta metasytor och upptäckte nya egenskaper som kunde låsa upp deras verkliga potential. Overvig och Alù gick bortom de periodiska metasytor som konventionellt används för att framkalla Fano-resonanser, bevisar att strikt periodicitet faktiskt inte krävs för att möjliggöra detta fenomen, och som ett resultat står befintliga metasytor endast för en specifik delmängd av Fano-resonanserna som kan uppstå i optiska system.

Ett allmänt exempel är användbart för att få den övergripande sammanfattningen av studien. En konventionell, periodisk Fano-resonant metayta erbjuder stark polarisering, och både spektral och vinkelselektivitet. Detta innebär att systemet knappt reflekterar ljus av någon given frekvens, infallsvinkel, och polarisering såvida de inte specifikt matchar dess Fano-resonans (i vilket fall, perfekt reflektion uppstår). Som sagt tidigare, en annan viktig aspekt av sådana periodiska metasytor är att de bara kan genomgå Fano-resonanser om de infallande ljusvågorna har en plan vågfront. I skarp kontrast till dessa begränsningar, forskarna visade att det är möjligt att skapa en icke-periodisk metayta som uppnår perfekt reflektion, nyfiket åtföljd av faskonjugering av de inkommande fälten, för ljusvågor med en godtyckligt anpassad vågfrontsform och form.

Overvig och Alù visade matematiskt att dessa metasytor kan byggas genom att strategiskt introducera icke-periodiska störningar i annars mycket periodiska fotoniska kristallplattor. Deras arbete kastar ljus över ännu outforskade aspekter av optisk Fano-resonans, utvidga konceptet bortom konventionell förståelse.

Den föreslagna strategin har flera relevanta tillämpningar, som sammanfattas av Alù:"Vårt fynd generaliserar konceptet med en Fano-resonans, visar att den inte nödvändigtvis är associerad med en plan vågfront. I praktiken, detta möjliggör en ny klass av optiska enheter som är transparenta och svagt interagerar med det inkommande ljuset för de flesta excitationer men som på något sätt triggas av en specifik vågfrontsform, frekvens, och polarisering, som kan väljas genom design. Endast under detta specifika excitationsförhållande, enheten blir mycket reflekterande och skickar tillbaka en tidsomvänd version av den specifika ingången."

Han utvecklar funktionaliteten hos sådana enheter:"Ett exempel kan vara en transparent yta som kan belysas från vilken vinkel som helst och vilken frekvens och polarisation som helst, och det är alltid transparent. Dock, om du lyser upp den med en lokal punktkälla endast placerad på en specifik plats, med exakt frekvens och polarisation, all ingående energi reflekteras och fokuseras tillbaka på platsen för källan."

Det introducerade konceptet med generaliserade Fano-resonanser kan bana väg för sofistikerade metamaterial som manipulerar ljus på nya sätt, med spännande applikationer i ett olikt antal scenarier, inte begränsade till optik, men även utbyggbar till akustik och andra vågfenomen.