Światło do góry nogami

Fot. Pixabay, CC0

Hiszpańscy naukowcy z CIC nanoGUNE i Donostia International Physics Centre (DIPC) we współpracy z Kansas State University (USA), ogłosili stworzenie tzw. "hiperbolicznej metapowierzchni", na której światło rozchodzi się z całkowicie odwróconymi falami. Osiągnięcie to pozwoli na lepszą kontrolę i monitorowanie światła, co może być bardzo użyteczne w miniaturyzacji urządzeń optycznych do wykrywania i przetwarzania sygnałów.

W typowych warunkach fale optyczne rozchodzą się od źródła punktowego jak okręgi, tak samo jak fale na powierzchni wody po wrzuceniu do niej kamienia. Dzieje się tak dlatego, że ośrodek, przez który przepływa światło, jest typowo jednorodny i izotropowy, tj. jednorodny we wszystkich kierunkach.
Naukowcy przewidzieli, że specjalnie ustrukturyzowane powierzchnie mogą odwracać rozprzestrzeniające się wzdłuż nich fale światła do góry nogami. "Na takich hiperbolicznych metapowierzchniach fale emitowane ze źródła punktowego rozchodzą się tylko w określonych kierunkach i z otwartymi, czyli prościej mówiąc wklęsłymi, frontami fal" - wyjaśnia Javier Alfaro, doktorant w nanoGUNE i współautor artykułu.

Te niezwykłe fale nazwano hiperbolicznymi. Mogą one pomóc zminiaturyzować urządzenia optyczne do wykrywania i przetwarzania sygnałów, ponieważ rozchodzą się tylko w określonym kierunku i przy mniejszych długościach fal niż światło w wolnej przestrzeni.

Taka była wiedza w teorii. Naukowcy z Hiszpanii przystąpili jednak także do prób stworzenia hiperbolicznych powierzchni w praktyce. Są one trudne do wytworzenia, ponieważ wymagana jest niezwykle precyzyjna struktura w skali nanometrowej. Badacze zdołali to osiągnąć za pomocą litografii wiązką elektronów i trawienia cienkich płatków wysokiej jakości azotku boru dostarczonych przez Kansas State University. "Po kilku krokach optymalizacyjnych osiągnęliśmy wymaganą dokładność i uzyskaliśmy struktury kratowe o wielkości szczeliny nawet 25 nm" - mówi Dolado, doktorantka z nanoGUNE. Tego typu metoda może zostać wykorzystana także w produkcji innego typu materiałów.
W badaniach zastosowano nowoczesną technikę nanoobrazowania w podczerwieni, która została zapoczątkowana przez grupę z nanoGUNE. Dzięki niej można było zobrazować, jak fale rozchodzą się po metapowierzchniach. Obrazowali falę przy pomocy tak zwanego mikroskopu skaningowego typu scattering (s-SNOM). "To było niesamowite zobaczyć zdjęcia. Rzeczywiście można było zobaczyć wklęsłą krzywiznę frontów falowych, które rozprzestrzeniały się dokładnie tak, jak przewidywano w teorii "- mówi Rainer Hillenbrand, profesor Ikerbasque z nanoGUNE, który kierował pracą.

Dzięki osiągnięciom naukowców mogą powstać materiały 2D, które będą wykorzystane w urządzeniach i obwodach o działaniu hiperbolicznym. Stanie się również możliwe pokazanie, w jaki sposób można zastosować mikroskopię bliskiego pola w celu ujawnienia egzotycznych zjawisk optycznych w materiałach anizotropowych.

(KB)