De optiska egenskaperna hos ett material bestäms till övervägande del av dess ingående atomer och elektroner och hur dessa reagerar på elektromagnetiska vågor. I naturmaterial, mångfalden av möjliga optiska egenskaper är begränsad, och så metamaterial – konstgjorda strukturer konstruerade för att kontrollera utbredningen av ljus – ger hopp om en uppsjö av nya optiska tillämpningar.

Arseniy Kuznetsov och Boris Luk'yanchuk vid A*STAR Data Storage Institute, Singapore, och deras medarbetare, har nu skapat en ny typ av tredimensionellt metamaterial som kan påverka både de elektriska och magnetiska delarna av synligt ljus. Deras tillvägagångssätt ger en enkel väg för att konstruera ovanliga enheter som optiska kappor, som möjliggör "osynlighet", och hyperlinser som erbjuder superupplösning.

Metamaterial är uppsättningar av metalliska strukturer med subvåglängd som kallas metaatomer, som har konstruerats för att efterlikna atomer och deras interaktion med ljus. "Metamaterial ger en ny väg för att kontrollera ljus på nanoskala, " förklarar Luk'yanchuk. "De banar väg för nya optiska element med unika funktioner som inte kan uppnås med naturliga material."

Ett vanligt tillvägagångssätt för forskare av optiska metamaterial är att konstruera metaatomer från ringar av metall som var och en innehåller ett litet avbrott. Dessa så kallade split-ring-resonatorer måste vara några hundra nanometer eller mindre för att fungera med synligt ljus, och eventuella fysiska brister begränsar deras prestanda kraftigt.

Att designa en delad ringresonator med både elektriska och magnetiska egenskaper som krävs för att interagera med dessa två olika komponenter i elektromagnetiska vågor har också visat sig vara en utmaning. "Magnetisk resonans vid synliga frekvenser kunde inte uppnås med standard, platta resonatorkonstruktioner med delad ring, säger Luk'yanchuk.

Nu, Kuznetsov och Luk'yanchuks team har visat att en tredimensionell version av denna struktur – resonatorn med delad boll – kan leda till nästan felfria metamaterial med en stark elektrisk och magnetisk respons.

Med hjälp av standardtekniker för nanotillverkning, forskarna skapade först en uppsättning guld- eller silverskivor på ett substrat. De avfyrade sedan en högeffektlaser mot varje skiva så att den smälte och bildade en vätskedroppe, som stelnade till en perfekt sfär, på så sätt eliminera brister. Till sist, laget använde en stråle av heliumjoner för att etsa in ett dike i varje nanosfär (se bild).

Forskarna bekräftade att deras resonatorer med delad boll visade en magnetisk resonans inom det synliga spektrumet, demonstrerar en stärkt förmåga att "justera" de optiska svaren hos metamaterial.

I framtiden, forskarna kunde använda samma metod för att mönstra mer komplicerade tredimensionella egenskaper på metaatomerna, vilket skulle möjliggöra ännu mer komplexa sätt att manipulera ljus.