När en vanlig spegel reflekterar cirkulärt polariserat ljus, det vänder ljusets spintillstånd. I kontrast, den kirala metaspegeln bevarar ett av de två spinntillstånden när den reflekterar cirkulärt polariserat ljus, samtidigt som det absorberar det andra spinntillståndet. Kredit:Kang et al. ©2017 American Chemical Society
(Phys.org) – Forskare har designat en ny typ av spegel som reflekterar ljus på ett helt annat sätt än vad konventionella speglar gör. Den nya spegeln, kallas en kiral metaspegel, har potentiella applikationer för informationsbehandling med ljus, nästa generations 3D-filmer, och andra tekniker som manipulerar ljus på nya sätt.
Forskarna, leds av Wenshan Cai vid Georgia Institute of Technology, har publicerat en artikel om den kirala metaspegeln i ett färskt nummer av Nanobokstäver .
De okonventionella reflekterande egenskaperna hos den nya spegeln härrör från det sätt på vilket spegeln reagerar på ljus som är cirkulärt polariserat. Ljusvågor är sammansatta av elektriska och magnetiska fält, och när det elektriska fältet rör sig något bakom magnetfältet eller vice versa, ljusvågen rör sig längs en spiralformad bana genom tiden, och detta kallas cirkulärt polariserat ljus. Det mesta av ljuset runt oss, som ljus från solen och glödlampor, är opolariserad men kan bli polariserad genom att passera genom ett polarisationsfilter.
En cirkulärt polariserad ljusvåg kan färdas antingen medurs (höger) eller moturs (vänster) sätt, som bestäms av en inneboende fysisk egenskap hos ljus som kallas spin vinkelmomentet och, följaktligen, kallas ljusets spinntillstånd. Den största skillnaden mellan den nya spegeln och konventionella speglar är hur var och en reagerar på spinntillstånden av cirkulärt polariserat ljus.
När en cirkulärt polariserad ljusstråle når en konventionell spegel, spegeln vänder strålens spinnläge, så att ljuset det reflekterar tillbaka ut har motsatt snurr som ljuset som kommer in. För många applikationer, den här egenskapen utgör inga problem, och i själva verket är speglar en av de viktigaste komponenterna i många optiska enheter. Dock, för vissa nya tillämpningar såsom fotonisk informationsbehandling där ljusets spinntillstånd bär data, det är viktigt att behålla och kontrollera spinntillstånden när de reflekteras av speglar.
Den nya chirala metaspegeln gör nästan motsatsen till en konventionell spegel med avseende på spinntillstånd. Istället för att återspegla det motsatta spinntillståndet, den reflekterar samma spinntillstånd för en infallande cirkulärt polariserad stråle, men bara för ett spinnläge. När en stråle med motsatt spinnläge anländer till spegeln, spegeln absorberar det ljuset helt. Så det slutliga resultatet är att spegeln endast reflekterar ljus med ett spinnläge - antingen vänster eller höger cirkulärt polariserade strålar, men inte båda.
Jämförelse av mikroskopiska bilder av den kirala metaspegeln upplyst av höger cirkulärt polariserad, linjär, och vänster cirkulärt polariserade ljusvågor. Kredit:Kang et al. ©2017 American Chemical Society
"Vi erbjuder möjligheten att bevara spinntillstånd för en optisk våg vid reflektion från en kiral metaspegel, " berättade Cai Phys.org . "I skarp kontrast till en vanlig reflekterande yta, den kirala metaspegeln fungerar genom att absorbera ett spinntillstånd, samtidigt som den andra låter den andra reflekteras tillbaka med samma spinntillstånd som den infallande vågen."
Medan de flesta konventionella speglar är gjorda av vanliga metaller, som en tunn silverfilm täckt av en tjockare glasbit, inget känt naturmaterial har den chiroptiska egenskapen som den nya spegeln uppvisar. Av denna anledning, forskarna tillverkade den nya spegeln av ett artificiellt material - ett metamaterial med en geometri i nanoskala designad specifikt för att visa upp denna egenskap. Metaspegeln består av en tunn film perforerad av en rad asymmetriska hål, och denna asymmetri bidrar till det okonventionella chiroptiska svaret.
"Metamaterial, som erbjuder ljusmanipulation på nanoskala, kan uppnå polarisationsförändring i utbredningslängder på bara ett par hundra nanometer, " sa Cai.
Forskarna noterar att den kirala metaspegeln är relativt lätt att tillverka, och de förväntar sig att det kommer att ha tillämpningar inom optisk dataöverföring och annan teknik som de planerar att undersöka ytterligare i framtiden.
"Några av de vanligaste sätten att skicka data via optiska medel är genom tidsdelning eller våglängdsmultiplexering, " sa Cai. "Men, när efterfrågan på ökande databandbredder växer, en högre grad av multiplexering behövs. När det gäller optisk kommunikation, polarisationskontroll öppnar ett annat paradigm för multiplexering och datahantering. Vår metaspegels förmåga att bevara ett infallande spinntillstånd kommer att hjälpa till i utvecklingen av dessa polarisationskänsliga system.
"Chirala metaspeglar kan också användas för tillämpningar inom kirotisk avkänning, kiral signalanalys, och kan till och med spela en roll i nästa generations 3D-filmer. De flesta 3D-filmer förlitar sig på vänster- och högerhänthet av det cirkulärt polariserade ljuset som passerar genom glasögonen som vi bär på biograferna. Med denna polarisationsskillnad till hands, kirala metaspeglar kan till och med komma till nytta i den här branschen."
© 2017 Phys.org
