Wenn Licht durch ein Material wandert, erzeugt es normalerweise ein Bild. Aber wenn es ein neues Material durchläuft, das von Forschern der Australian National University (ANU) entwickelt wurde, entstehen zwei völlig unabhängige und unterschiedliche Bilder – tatsächlich so unterschiedlich wie die ikonischen Umrisse des Opernhauses von Sydney und des australischen Kontinents. Dieser ungewöhnliche Effekt ist möglich dank nanoskaliger Strukturen innerhalb des Materials, die die Ausbreitungsrichtung einer Lichtwelle auf eine Weise manipulieren, die Anwendungen für die Informationsverarbeitung und Kommunikation haben könnte.
Die in dieser Forschung verwendeten nanoskaligen Strukturen sind ultradünne Filme, die Anordnungen winziger dielektrischer Strukturen umfassen, die sich ähnlich wie Atome verhalten. Solche Strukturen, die als Metaoberflächen bekannt sind, werden häufig beim Design miniaturisierter optischer Komponenten verwendet, und sie können auch verwendet werden, um die Richtung zu steuern, in der sich Licht im Nanobereich ausbreiten kann und nicht. Manche dieser „Metaatome“ lassen beispielsweise Licht nur von links nach rechts fließen, während andere nur von rechts nach links fließen, erklärt der Projektleiter Sergej Kruk der ANUs Zentrum für nichtlineare Physik. Sie können auch den Weg des Lichts in beide Richtungen blockieren.
Asymmetrische Bilder
In der neuesten Arbeit entwarfen Kruk und Kollegen ihre vollständig dielektrischen Metaoberflächen, um auf asymmetrische Weise mit Licht zu interagieren. Wenn sie beispielsweise Infrarotlicht durch eine solche Struktur strahlten, erschien ein Bild von Australien im sichtbaren Bereich des Spektrums. Als sie die Metaoberflächen umdrehten und erneut hinsahen, sahen sie stattdessen ein Bild des Opernhauses von Sydney.
Dieser optische Zaubertrick entsteht aufgrund des komplexen Zusammenspiels zwischen den nichtlinearen Eigenschaften des Materials und der magnetoelektrischen Kopplung zwischen künstlich erzeugten optischen Moden, sagt Kruk. „Die nichtlineare Optik untersucht, wie Materialien mit sehr hellen, hochintensiven Lichtstrahlen interagieren, wie sie beispielsweise von Lasern erzeugt werden“, erklärt er. „Diese nichtlinearen Wechselwirkungen können völlig anders sein als schwaches und mäßig helles Licht (z. B. das von der Sonne oder einer Glühbirne) mit Materialien interagiert.“
Die Forscher konstruierten ihre Metaoberflächen aus vier Arten von asymmetrischen nichtlinearen Resonatoren, bei denen es sich um Nanozylinder handelt, die über den elektrischen Dipol und den magnetischen Dipol auf Licht reagieren. Diese Nanozylinder bestehen aus zwei Materialschichten, amorphem Silizium und Siliziumnitrid, die unterschiedliche optische Konstanten aufweisen. Bei dieser Anordnung kommt die magnetoelektrische Kopplung von der Asymmetrie, die durch die Differenz der Brechungsindizes zwischen den beiden Schichten eingeführt wird.
„Eher wie Verkehrszeichen“
Die Atome in der Metaoberfläche steuern den Lichtfluss ähnlich wie Verkehrszeichen den Verkehr auf einer stark befahrenen Straße, sagt Kruk. Diese Fähigkeit, Licht im Nanobereich zu lenken, stellt sicher, dass es „dort hingeht, wo es hin soll, und nicht dort hingeht, wo es nicht hingehört“, erklärt er.
Eine solche Kontrolle könnte praktische Anwendungen haben, fährt Kruk fort. „Ein breiter Einsatz von winzigen Komponenten, die den Lichtfluss steuern können, könnte möglicherweise technologische und soziale Veränderungen mit sich bringen, ähnlich den Veränderungen, die in der Vergangenheit durch die Entwicklung winziger Komponenten zur Steuerung des Stromflusses, die als Dioden und Transistoren bekannt sind, herbeigeführt wurden. " er sagt.
Laut dem Team, dem auch Physiker der Universität Paderborn in Deutschland, der Southeast University in China und A*STAR Singapore angehören, könnten die Metaoberflächen in Technologien verwendet werden, die mit Informationsverarbeitung und Kommunikation verbunden sind – einschließlich des Internets, das Sie wahrscheinlich zum Lesen dieses Artikels verwenden .
„Gegenwärtig verlassen sich unsere Informationstechnologien stark auf unsere Fähigkeit, den Datenverkehr über elektrische Ströme in modernen Computerchips zu steuern“, sagt Kruk. „Wir entwerfen und fertigen unglaublich ausgeklügelte Netzwerke aus Milliarden und Billionen von Halbleiterdioden und Transistoren, die als Verkehrszeichen und Ampeln für elektrische Ströme fungieren und moderne Computer ermöglichen.
Metaoberflächenlaser erzeugt superverdrehtes Licht
„Unsere Forschung deutet darauf hin, dass es möglich sein könnte, den Verkehr von Lichtstrahlen zu kontrollieren, ähnlich wie wir elektrische Ströme kontrollieren“, sagt er Physik-Welt. „Wenn wir beim Umgang mit Informationen Lichtstrahlen anstelle von elektrischem Strom einsetzen, lassen sich viele Aufgaben schneller und effizienter erledigen.“
Erhalt der Lichtfarbe
In dieser frühen Arbeit konzentrierten sich Kruk und Kollegen auf einen nichtlinearen optischen Prozess (bekannt als dritte harmonische Erzeugung), der die Farbe des Lichts verändert. Für zukünftige Anwendungen könnte es jedoch sinnvoller sein, bei einer einzigen Farbe zu bleiben. Die Forscher sagen, dass sie daher daran arbeiten, optische Nanostrukturen zu entwickeln, die die Farbe bewahren und gleichzeitig ähnliche Funktionalitäten aufweisen. „Dabei werden verschiedene nichtlineare optische Phänomene zugrunde gelegt, die mit sogenannten Selbstwirkungseffekten einhergehen“, verrät Kruk. „Während die nichtlineare Optik von Massenmaterialien gut erforscht ist, beginnen wir gerade erst, die nichtlineare Optik von Materialien zu verstehen, die im Nanobereich strukturiert sind.“
Die Arbeit ist detailliert in Nature Photonics.
