Onderzoekers van het Georgia Institute of Technology hebben een optisch metamateriaal aangetoond waarvan de chiroptische eigenschappen in het niet-lineaire regime een significante spectrale verschuiving produceren met vermogensniveaus in het milliwatt-bereik.

De onderzoekers hebben onlangs eigenschappen van hun chirale metamateriaal aangetoond, waarin ze twee absorberende resonanties spectraal wijzigden door het materiaal stapsgewijs bloot te stellen aan vermogensintensiteiten buiten het lineaire optische regime. Met een verandering van 15 milliwatt in excitatievermogen, ze maten een spectrale verschuiving van 10 nanometer in de transmissieresonanties van het materiaal en een polarisatierotatie van 14 graden.

De onderzoekers geloven dat dit misschien wel de sterkste niet-lineaire optische rotatie is die ooit is gerapporteerd voor een chiraal metamateriaal, en is ongeveer honderdduizend keer groter dan de huidige recordmeting voor dit type constructie. Het onderzoek, ondersteund door de National Science Foundation en het Air Force Research Laboratory, werd op 27 februari in het journaal gerapporteerd Natuurcommunicatie .

"Chirale structuren op nanoschaal bieden een benadering voor het moduleren van optische signalen met relatief kleine variaties in ingangsvermogen, " zei Sean Rodrigues, een doctoraat kandidaat die het onderzoek leidde in het laboratorium van universitair hoofddocent Wenshan Cai aan de School of Electrical and Computer Engineering van Georgia Tech. "Om dit soort verandering in zo'n dun materiaal te zien, maakt chiroptische metamaterialen een interessant nieuw platform voor optische signaalmodulatie."

Deze modulatie van chiroptische reacties van metamaterialen door het ingangsvermogen te manipuleren, biedt het potentieel voor nieuwe soorten actieve optica, zoals volledig optische schakeling en lichtmodulatie. De technologieën kunnen toepassingen hebben op gebieden als gegevensverwerking, voelen en communiceren.

Chirale materialen vertonen optische eigenschappen die verschillen afhankelijk van hun tegengestelde circulaire polarisaties. De verschillen tussen deze antwoorden, die worden gecreëerd door de nanoschaal patronen van absorberende materialen, kan worden gebruikt om grote chiroptische resonanties te creëren. Om nuttig te zijn in toepassingen zoals volledig optische schakeling, deze resonanties zouden moeten worden veroorzaakt door externe afstemming, zoals variaties in het opgenomen vermogen.

"Als je de kracht vergroot, je verschuift het spectrum, " zei Rodrigues. "In feite, je verandert de transmissie op bepaalde golflengten, wat betekent dat je de hoeveelheid licht die door het monster gaat, verandert door simpelweg het ingangsvermogen aan te passen." Voor optische ingenieurs, dat zou de basis kunnen zijn voor een overstap.

Het materiaal dat door Cai's lab wordt gedemonstreerd, is gemaakt door nanopatroonlagen van zilver - ongeveer 33 nanometer dik - op glassubstraten. Tussen de zorgvuldig ontworpen zilverlagen zit een 45 nanometer laag diëlektrisch materiaal. Een elliptisch patroon wordt gecreëerd met behulp van elektronenstraallithografie, vervolgens wordt de hele structuur ingekapseld in een diëlektrisch materiaal om oxidatie te voorkomen.

"Het is de engineering van deze structuren die ons deze chirale optische eigenschappen geeft, " legde Rodrigues uit. "Het doel is echt om te profiteren van de discrepantie tussen de ene circulaire polarisatie versus de andere om de breedbandresonanties te creëren die we nodig hebben."

Het materiaal werkt in het zichtbare tot nabij-infraroodspectrum, op ongeveer 740 tot 1, 000 nanometer. De metingen van optische rotatie en circulair dichroïsme werden gedaan met de bundel die het materiaal binnenkwam onder een normale invalshoek.

De onderzoekers veroorzaakten de verandering in circulair dichroïsme door het optische vermogen dat op het materiaal wordt toegepast te verhogen van 0,5 milliwatt tot 15 milliwatt. Hoewel dat een relatief laag vermogen is voor een lasersysteem, het heeft een voldoende hoge energieflux (energieoverdracht in de tijd) om verandering teweeg te brengen.

"De bundelgrootte is ongeveer 40 micron, dus het is echt gefocust, " zei Rodrigues. "We steken veel energie in een klein gebied, waardoor het effect vrij intens is."

De onderzoekers weten nog niet wat de verandering veroorzaakt, maar vermoed dat thermische processen betrokken kunnen zijn bij het veranderen van de eigenschappen van het materiaal om het circulaire dichroïsme te versterken. Tests tonen aan dat de krachttoepassingen het metamateriaal niet beschadigen.

Cai's laboratorium heeft verschillende soorten chirale materialen bestudeerd voor een verscheidenheid aan optische toepassingen. In juni 2015 ze rapporteerden de realisatie van een van de al lang bestaande theoretische voorspellingen in niet-lineaire optische metamaterialen:het creëren van een niet-lineair materiaal met tegengestelde brekingsindices bij de fundamentele en harmonische frequenties van licht. Een dergelijk materiaal, die van nature niet bestaat, al bijna tien jaar voorspeld.