Harvard-onderzoekers hebben een meta-oppervlak ontwikkeld dat bestaat uit een enkele vlakke laag van nanostructuren die een sterke optische chiraliteit bij transmissie vertonen. Dit betekent dat het circulair gepolariseerd licht van één polarisatie vrijwel ongehinderd kan doorlaten, terwijl het licht van de tegenovergestelde helix volledig wordt weggebogen. Dergelijke mogelijkheden zijn ongelooflijk handig voor een groot aantal toepassingen, inclusief circulair dichroïsme spectroscopie bij de analyse van medicijnmonsters, en polarisatiefilters in telecommunicatie.

Dit werk daagt een aantal lang gekoesterde ideeën over chirale metamaterialen en meta-oppervlakken uit. "Eerder, mensen dachten dat om een ​​sterke, intrinsieke chiro-optische respons, de structuren moesten ingewikkelde driedimensionale vormen zijn, zoals kurkentrekkers of helices, om de symmetrie te doorbreken ", zegt prof. Federico Capasso van Harvard University. "Deze 3D-metamaterialen waren extreem moeilijk om op grote schaal te fabriceren. Met dit werk, we hebben aangetoond dat zelfs een vlakke laag van diëlektrische nanostructuren waarvan de dikte in de orde van de invallende golflengte ligt, een sterke intrinsieke chiraliteit kan vertonen. Dit biedt een praktische manier om dergelijke apparaten in verschillende toepassingen te implementeren, omdat ze nu in een enkele lithografische stap kunnen worden gemaakt."

De auteurs hebben dit kunnen bereiken met behulp van gammadionvormige nanostructuren gemaakt van titaniumoxide, een diëlektrisch materiaal met een relatief hoge index. "Dit stelt ons in staat om vlakke structuren te creëren met een sterk magnetisch moment in het vlak, zonder toevlucht te nemen tot 3D-geometrie. Door de in-plane parameters van de gammadions verder te optimaliseren, we kunnen de noodzakelijke koppeling tussen de elektrische en magnetische momenten bereiken om sterke intrinsieke chiro-optische activiteit waar te nemen, " zegt Alexander Zhu, eerste auteur van de studie.

De auteurs bereikten experimenteel tot 80% circulair dichroïsme in transmissie bij groene golflengten, met meer dan 90 procent van het licht met de juiste heliciteit doorgelaten bij normale inval. Dit resultaat is vergelijkbaar met de state-of-the-art 3D-metamaterialen en overtreft de vlakke tegenhangers onder vergelijkbare omstandigheden aanzienlijk.

Verdere analyse wijst op een aantal rijke fysica die ten grondslag ligt aan dit fenomeen van gigantische intrinsieke chiraliteit in vlakke structuren. De auteurs ontdekten dat de optische respons van de gammadionstructuren wordt gedomineerd door multipolen van hogere orde, zoals de toroidale quadrupool en magnetische octupool. In natuurlijk voorkomende media, zulke hoge bestellingen zijn verdwijnend klein, zodanig dat typisch alleen dipoolreacties worden waargenomen. Echter, hun bestaan ​​is cruciaal, aangezien dipoolmodi voornamelijk langs de normale inval stralen, terwijl de primaire stralingsrichting voor modi van hogere orde niet normaal is. Dit geeft enig inzicht in het ontwerp en de optimalisatie van deze nanostructuren. De auteurs proberen deze resultaten nu verder te verbeteren en een snelle, efficiënte sensor voor spectroscopische detectie van chirale verbindingen.

Dit onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Licht:wetenschap en toepassingen .