Исследователи переворачивают свет вверх дном

Исследователи из CIC nanoGUNE (Сан-Себастьян, Испания)  cообщили в Science о развитии так называемой гиперболической метаповерхности, на которой распространяется свет с полными измененными волновыми фронтами. Это научное достижение нацелено на более точный контроль и мониторинг света, очень интересно с точки зрения миниатюризации оптических устройств для зондирования и обработки сигналов.

Оптические волны, распространяющиеся от точечного источника, обычно имеют круговые (выпуклые) волновые фронты. «Подобно волнам на водной поверхности, которые образуются от падения камня, — говорит Пейнин Ли, автор статьи. Причиной этого кругового распространения является то, что среда, через которую проходит свет, обычно является однородной и изотропной, т. е. однородной во всех направлениях.

Ученые теоретически предсказали, что специально структурированные поверхности могут изменять волновые фронты света, когда свет распространяется вдоль них. «На таких поверхностях, называемых гиберболическими метаповерхностями, волны, излучаемые точечным источником, распространяются только в определенных направлениях и с открытыми (вогнутыми) волновыми фронтами», — объясняет Хавьер Альфаро, доктор философии и соавтор статьи.

Эти необычные волны называются гиперболическими поверхностными поляритонами. Поскольку они распространяются только в определенных направлениях и с длиной волны, которая намного меньше длины света в свободном пространстве или стандартных волноводах, они могут помочь уменьшить размеры оптических устройств для восприятия и обработки сигналов.

Теперь исследователи разработали такую ​​метаповерхность для инфракрасного света. Она основан на нитриде бора, графеноподобном двухмерном материале, который был выбран из-за его способности управлять инфракрасным излучением на чрезвычайно малых масштабах длины. Это может применяться в миниатюрных химических датчиках или для управления теплом в наномасштабных оптоэлектронных устройствах. Исследователи непосредственно наблюдали вогнутые волновые фронты со специальным оптическим микроскопом.

Гиперболические метаповерхности сложно изготовить, потому что требуется чрезвычайно точное структурирование на нанометровой шкале. Ирен Доладо, доктор философии и Сауль Велез, докторант-исследователь в ETH Zürich справились с этой задачей, используя электронно-лучевую литографию и травление тонких хлопьев высококачественного нитрида бора, предоставленного Канзасским государственным университетом. «После нескольких шагов оптимизации мы достигли требуемой точности и получили решетчатые структуры с размером зазора до 25 нм», — говорит Доладо. «Те же самые методы изготовления также могут быть применены к другим материалам, которые могли бы проложить путь для реализации искусственных метаструктурных материалов с помощью специальных оптических свойств», добавляет Сауль Велез.

Чтобы увидеть, как распространяются волны вдоль метаповерхности, исследователи использовали современную технологию инфракрасного наноизлучения, которая была впервые создана группой оптиков из nanoGUNE. Сначала они поместили нано-стержень (nanorod) золота на метаповерхность. «Он играет роль камня, сброшенного в воду», — говорит Пейнин Ли. Нано-стержень концентрирует падающий инфракрасный свет в крошечное пятно, которое запускает волны, которые затем распространяются вдоль метаповерхности. С помощью так называемого сканирующего ближнепольного микроскопа (s-SNOM) рассеянного типа исследователи наблюдали волны. «Удивительно было видеть изображения. Они действительно показали вогнутую кривизну волновых фронтов, которые распространялись от золотого нанопорошка, точно так же, как предсказано теорией», — говорит Райнер Хилленбранд, профессор Ikerbasque nanoGUNE, который руководил работой.

Полученные результаты обещают наноструктурированные двухмерные материалы, которые станут новой платформой для устройств и схем гиберболической метаповерхности, а также продемонстрируют, как можно применять ближнепольную микроскопию для раскрытия экзотических оптических явлений в анизотропных материалах и для проверки новых принципов проектирования метаповерхностей.

Больше информации: Peining Li et al, Infrared hyperbolic metasurface based on nanostructured van der Waals materials, Science (2018). DOI: 10.1126/science.aaq1704