Onderzoekers van CIC nanoGUNE (San Sebastian, Spanje) en medewerkers hebben gemeld in Wetenschap de ontwikkeling van een zogenaamd hyperbolisch meta-oppervlak waarop licht zich voortplant met volledig hervormde wafelfronten. Deze wetenschappelijke prestatie in de richting van meer nauwkeurige controle en bewaking van licht is zeer interessant voor het miniaturiseren van optische apparaten voor detectie en signaalverwerking.

Optische golven die zich vanaf een puntbron voortplanten, vertonen typisch cirkelvormige (convexe) golffronten. "Als golven op een wateroppervlak wanneer een steen valt, " zegt Peining Li, EU Marie Sklodowska-Curie fellow bij nanoGUNE en eerste auteur van het artikel. De reden voor deze circulaire voortplanting is dat het medium waardoor licht reist typisch homogeen en isotroop is, d.w.z., uniform in alle richtingen.

Wetenschappers hadden theoretisch voorspeld dat specifiek gestructureerde oppervlakken de golffronten van licht op zijn kop kunnen zetten wanneer het zich langs hen voortplant. "Op dergelijke oppervlakken, hyberbolische meta-oppervlakken genoemd, de golven die door een puntbron worden uitgezonden, planten zich alleen in bepaalde richtingen voort, en met open (concave) golffronten, " legt Javier Alfaro uit, doctoraat student aan nanoGUNE en co-auteur van het artikel. Deze ongebruikelijke golven worden hyperbolische oppervlaktepolaritonen genoemd. Omdat ze zich alleen in bepaalde richtingen voortplanten, en met golflengten die veel kleiner zijn dan die van licht in de vrije ruimte of standaard golfgeleiders, ze zouden kunnen helpen om optische apparaten voor detectie en signaalverwerking te miniaturiseren.

Nutsvoorzieningen, de onderzoekers hebben zo'n meta-oppervlak ontwikkeld voor infrarood licht. Het is gebaseerd op boornitride, een grafeenachtig 2D-materiaal, die werd geselecteerd vanwege zijn vermogen om infrarood licht te manipuleren op extreem kleine lengteschalen. Dit heeft toepassingen in geminiaturiseerde chemische sensoren of voor warmtebeheer in opto-elektronische apparaten op nanoschaal. De onderzoekers observeerden de concave golffronten direct met een speciale optische microscoop.

Hyperbolische meta-oppervlakken zijn een uitdaging om te fabriceren, omdat een uiterst nauwkeurige structurering op nanometerschaal vereist is. Irene Dolado, doctoraat student aan nanoGUNE, en Saul Velez, voormalig postdoctoraal onderzoeker bij nanoGUNE (nu aan de ETH Zürich) beheerste deze uitdaging met behulp van elektronenstraallithografie en het etsen van dunne vlokken boornitride van hoge kwaliteit, geleverd door de Kansas State University. "Na verschillende optimalisatiestappen, we bereikten de vereiste precisie en verkregen roosterstructuren met spleetgroottes zo klein als 25 nm, " zegt Dolado. "Dezelfde fabricagemethoden kunnen ook worden toegepast op andere materialen, die de weg zou kunnen effenen om kunstmatige metasurface-structuren te realiseren met op maat gemaakte optische eigenschappen, ", voegt Saül Vélez toe.

Om te zien hoe de golven zich langs het meta-oppervlak voortplanten, de onderzoekers gebruikten een ultramoderne infrarood nanoimaging-techniek die werd ontwikkeld door de nanoptics-groep bij nanoGUNE. Ze plaatsten eerst een infrarood gouden nanostaafje op het meta-oppervlak. "Het speelt de rol van een steen die in het water valt, ", zegt Peining Li. De nanostaaf concentreert invallend infrarood licht in een kleine vlek, die golven lanceert die zich vervolgens langs het meta-oppervlak voortplanten. Met behulp van een zogenaamde scattering-type scanning near-field microscope (s-SNOM) brachten de onderzoekers de golven in beeld. "Het was verbazingwekkend om de beelden te zien. Ze toonden inderdaad de concave kromming van de golffronten die zich voortplantten van de gouden nanostaaf, precies zoals voorspeld door de theorie, " zegt Rainer Hillenbrand, Ikerbaskische professor aan nanoGUNE, die het werk leidde.

De resultaten beloven nanogestructureerde 2D-materialen om een ​​nieuw platform te worden voor hyberbolische metasurface-apparaten en -circuits, en verder demonstreren hoe near-field microscopie kan worden toegepast om exotische optische fenomenen in anisotrope materialen te onthullen en voor het verifiëren van nieuwe ontwerpprincipes van metasurface.