I ricercatori di Harvard hanno sviluppato una metasuperficie comprendente un singolo strato planare di nanostrutture che mostrano una forte chiralità ottica nella trasmissione. Ciò significa che può far passare la luce polarizzata circolarmente di una polarizzazione quasi senza ostacoli, mentre la luce di elicità opposta è completamente diffratta. Tali capacità sono incredibilmente utili per una serie di applicazioni, compresa la spettroscopia di dicroismo circolare nell'analisi di campioni di farmaci, e filtri di polarizzazione nelle telecomunicazioni.
Questo lavoro sfida alcune nozioni di vecchia data sui metamateriali e le metasuperfici chirali. "In precedenza, la gente pensava che per raggiungere un forte, risposta chiro-ottica intrinseca, le strutture dovevano essere complicate forme tridimensionali, come cavatappi o eliche, per rompere la simmetria", afferma il Prof. Federico Capasso dell'Università di Harvard. "Questi metamateriali 3D erano estremamente difficili da fabbricare su larga scala. Con questo lavoro, abbiamo dimostrato che anche uno strato planare di nanostrutture dielettriche il cui spessore è dell'ordine della lunghezza d'onda incidente può esibire una forte chiralità intrinseca. Ciò offre un modo pratico per implementare tali dispositivi in varie applicazioni poiché ora possono essere realizzati in un unico passaggio litografico".
Gli autori sono stati in grado di raggiungere questo obiettivo utilizzando nanostrutture a forma di gammadio fatte di ossido di titanio, un materiale dielettrico relativamente alto indice. "Questo ci permette di creare strutture planari con un forte momento magnetico nel piano, senza ricorrere alla geometria 3D. Ottimizzando ulteriormente i parametri nel piano dei gammadioni, possiamo ottenere l'accoppiamento necessario tra i momenti elettrico e magnetico per osservare una forte attività intrinseca chiro-ottica, "dice Alexander Zhu, primo autore dello studio.
Gli autori hanno raggiunto sperimentalmente fino all'80% di dicroismo circolare nella trasmissione a lunghezze d'onda verdi, con più del 90 percento di luce con la corretta elicità trasmessa a incidenza normale. Questo risultato è alla pari con i metamateriali 3-D all'avanguardia e supera di gran lunga le controparti planari in condizioni simili.
Ulteriori analisi indicano una ricca fisica alla base di questo fenomeno di chiralità intrinseca gigante nelle strutture planari. Gli autori hanno scoperto che la risposta ottica delle strutture gammadioni è dominata da multipoli di ordine superiore, come il quadrupolo toroidale e l'ottupolo magnetico. Nei mezzi naturali, ordini così elevati sono incredibilmente piccoli, in modo tale che si osservano tipicamente solo risposte di dipolo. Però, la loro esistenza è critica, poiché i modi di dipolo irradiano principalmente lungo l'incidenza normale, mentre la direzione della radiazione primaria per i modi di ordine superiore è fuori dal normale. Ciò fornisce alcune informazioni sulla progettazione e l'ottimizzazione di queste nanostrutture. Gli autori stanno ora cercando di migliorare ulteriormente questi risultati e sviluppare un veloce, sensore efficiente per il rilevamento spettroscopico di composti chirali.
Questa ricerca è stata pubblicata sulla rivista Luce:scienza e applicazioni .
