研究人员开发了处理红外光的曲面

这是从点状源传播的波浪的例证。左:规则波传播。右图:在双曲线变面上的波传播。学分:P. Li,CIC nanoGUNE

远离点源传播的光波通常呈现圆形(凸形)波前。 “就像石头掉落时水面上的波浪一样,”纳诺古恩欧盟Marie Sklodowska居里研究员Peining Li解释道,他是该论文的第一作者。这种圆形传播的原因在于光传播通过的介质通常是均匀的并且是各向同性的,即在所有方向上均匀。

科学家们已经从理论上预测到,特定结构的表面在沿着它们传播时会颠倒光线的波前。 “在这样的表面上,称为hyberbolic metasurfaces,从点源发出的波只在某些方向上传播,并且具有开放(凹形)波前,”nanoGUNE博士研究生兼论文的合着者Javier Alfaro解释道。这些不寻常的波被称为双曲面极化激元。由于它们只在特定方向上传播,并且波长比自由空间或标准波导中的光波长小得多,所以它们可以帮助小型化用于传感和信号处理的光学器件。

现在,研究人员开发了这种红外光的表面。它基于氮化硼,一种类石墨烯的二维材料,因其能够在极小的尺度上操纵红外光而被选中,可用于小型化学传感器的开发或纳米级光电子器件的热管理。另一方面,研究人员用特殊的光学显微镜成功地直接观察了凹面波前,迄今为止,这一切都是难以捉摸的。

双曲线曲面对于制造具有挑战性,因为需要在纳米尺度上进行非常精确的结构化。 nanoGUNE的博士生Irene Dolado和nanoGUNE的前博士后研究员SaülVélez(现在在苏黎世的ETH)通过电子束光刻和堪萨斯州立大学提供的高质量氮化硼薄片的蚀刻来应对这一挑战。 “经过几个优化步骤,我们达到了所需的精度,并获得了间隙尺寸小至25 nm的光栅结构,”Dolado说。 “同样的制造方法也可以应用于其他材料,这可能为实现具有定制光学特性的人造变面结构铺平道路,”SaülVélez补充道。

为了观察波如何沿着变化的表面传播,研究人员使用了纳米GUNE纳米技术组开创的最先进的红外纳米成像技术。他们首先将红外金纳米棒放置在变形表面上。 “它起到了投入水中的石头的作用,”培宁丽说。纳米棒将入射的红外光集中在一个小点上,从而发射波,然后沿着元表面传播。在所谓的散射型扫描近场显微镜(s-SNOM)的帮助下,研究人员对波形成像。 “看到图像真是太神奇了。他们确实显示了从金纳米棒中传播出来的波前凹面曲率,正如理论预测的那样,“负责该工作的nanoGUNE的Ikerbasque教授Rainer Hillenbrand说。

这些结果使纳米结构的二维材料成为双曲面转台设备和电路的新型平台,并进一步证明了近场显微镜如何应用于揭示各向异性材料中的外来光学现象和验证新的转面设计原理。

出版物:Peining Li等人,“基于纳米结构的范德华材料的红外双曲线变面”,科学,2018年2月23日: 359,Issue 6378,pp.892-896; DOI:10.1126 / science.aaq1704

来源:Irati Kortabitarte,CIC nanoGUNE