La luce laser mostra la struttura nanostrutturata di un metamateriale chirale sviluppato dai ricercatori della School of Electrical and Computer Engineering presso il Georgia Institute of Technology. Credito:Rob Felt, Georgia Tech
I ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno dimostrato un metamateriale ottico le cui proprietà chiroottiche nel regime non lineare producono uno spostamento spettrale significativo con livelli di potenza nell'ordine dei milliwatt.
I ricercatori hanno recentemente dimostrato le proprietà del loro metamateriale chirale, in cui hanno modificato spettralmente due risonanze assorbenti esponendo in modo incrementale il materiale a intensità di potenza oltre il suo regime ottico lineare. Con una variazione di 15 milliwatt nella potenza di eccitazione, hanno misurato uno spostamento spettrale di 10 nanometri nelle risonanze di trasmissione del materiale e una rotazione di polarizzazione di 14 gradi.
I ricercatori ritengono che potrebbe essere la rotazione ottica non lineare più forte mai riportata per un metamateriale chirale, ed è circa centomila volte più grande dell'attuale misurazione record per questo tipo di struttura. La ricerca, sostenuto dalla National Science Foundation e dall'Air Force Research Laboratory, è stato riportato il 27 febbraio sulla rivista Comunicazioni sulla natura .
"Le strutture chirali su nanoscala offrono un approccio alla modulazione dei segnali ottici con variazioni relativamente piccole della potenza in ingresso, " ha detto Sean Rodrigues, un dottorato di ricerca candidato che ha guidato la ricerca nel laboratorio del Professore Associato Wenshan Cai nella Scuola di Ingegneria Elettrica e Informatica della Georgia Tech. "Vedere questo tipo di cambiamento in un materiale così sottile rende i metamateriali chirottici una nuova piattaforma interessante per la modulazione del segnale ottico".
Questa modulazione delle risposte chiroottiche dai metamateriali manipolando la potenza in ingresso offre il potenziale per nuovi tipi di ottiche attive come la commutazione completamente ottica e la modulazione della luce. Le tecnologie potrebbero avere applicazioni in settori quali l'elaborazione dei dati, rilevamento e comunicazione.
Sean Rodrigues, un dottorato di ricerca candidato alla Georgia Tech School of Electrical and Computer Engineering, regola un campione di un metamateriale chirale le cui proprietà nel regime non lineare producono uno spostamento spettrale significativo con livelli di potenza nell'intervallo dei milliwatt. Credito:Rob Felt, Georgia Tech
I materiali chirali mostrano proprietà ottiche che differiscono a seconda delle loro polarizzazioni circolari opposte. Le differenze tra queste risposte, che sono creati dalla modellazione su scala nanometrica di materiali assorbenti, può essere utilizzato per creare grandi risonanze chiroottiche. Per essere utile in applicazioni come la commutazione completamente ottica, queste risonanze dovrebbero essere indotte da una sintonizzazione esterna, come le variazioni di potenza in ingresso.
"Quando aumenti la potenza, sposti lo spettro, " ha detto Rodrigues. "In effetti, si cambia la trasmissione a certe lunghezze d'onda, significa che stai cambiando la quantità di luce che passa attraverso il campione semplicemente modificando la potenza in ingresso." Per gli ingegneri ottici, potrebbe essere la base per un cambio.
Il materiale dimostrato dal laboratorio di Cai è costituito da strati di nano-patterning di argento - circa 33 nanometri di spessore - su substrati di vetro. Tra gli strati d'argento accuratamente progettati c'è uno strato di materiale dielettrico di 45 nanometri. Un modello ellittico viene creato utilizzando la litografia a fascio di elettroni, quindi l'intera struttura viene incapsulata all'interno di un materiale dielettrico per prevenire l'ossidazione.
"È l'ingegneria di queste strutture che ci dà queste proprietà ottiche chirali, " Rodrigues ha spiegato. "L'obiettivo è davvero sfruttare la discrepanza tra una polarizzazione circolare rispetto all'altra per creare le risonanze a banda larga di cui abbiamo bisogno".
Il materiale opera nello spettro dal visibile al vicino infrarosso, a circa 740 a 1, 000 nanometri. Le misurazioni della rotazione ottica e del dicroismo circolare sono state effettuate con il raggio che entra nel materiale con un normale angolo di incidenza.
Sean Rodrigues, un dottorato di ricerca candidato alla Georgia Tech School of Electrical and Computer Engineering, è mostrato con l'attrezzatura utilizzata per studiare un metamateriale chirale le cui proprietà nel regime non lineare producono uno spostamento spettrale significativo con livelli di potenza nell'intervallo dei milliwatt. Credito:Rob Felt, Georgia Tech
I ricercatori hanno indotto il cambiamento nel dicroismo circolare aumentando la potenza ottica applicata al materiale da 0,5 milliwatt fino a 15 milliwatt. Sebbene questa sia una potenza relativamente bassa per un sistema laser, ha un flusso di energia sufficientemente alto (trasferimento di energia nel tempo) per istigare il cambiamento.
"La dimensione del raggio è di circa 40 micron, quindi è davvero concentrato, " ha detto Rodrigues. "Stiamo mettendo molta energia in una piccola area, che fa sì che l'effetto sia abbastanza intenso."
I ricercatori non sanno ancora cosa provochi il cambiamento, ma sospettiamo che i processi termici possano essere coinvolti nell'alterazione delle proprietà del materiale per aumentare il dicroismo circolare. I test mostrano che le applicazioni di potenza non danneggiano il metamateriale.
Il laboratorio di Cai ha studiato materiali chirali di diverso tipo per una varietà di applicazioni ottiche. Nel giugno 2015, hanno riportato la realizzazione di una delle previsioni teoriche di vecchia data nei metamateriali ottici non lineari:la creazione di un materiale non lineare che ha indici di rifrazione opposti alle frequenze fondamentali e armoniche della luce. Tale materiale, che non esiste naturalmente, era stato previsto per quasi un decennio.