Durchbruch bei der Lichtsteuerung

May 20, 2023

Von Pohang University of Science & Technology (POSTECH), 24. Mai 2023

Schematische Darstellung eines Metagitters, das normal einfallendes Licht in unidirektionale SPPs umwandelt. Die Elementarzelle des Metagitters besteht aus zwei unterschiedlichen Nanostrukturen und induziert maßgeschneiderte optische Verluste. Bildnachweis: POSTECH

Wissenschaftlern des koreanischen POSTECH und der US-amerikanischen Northeastern University ist es gelungen, Licht mithilfe nicht-hermitescher Metagitter zu manipulieren und so den optischen Verlust in ein nützliches Werkzeug zu verwandeln. Sie haben eine neue Methode zur Steuerung der Lichtrichtung mithilfe speziell entwickelter Metagitterkoppler entwickelt. Dieser Durchbruch könnte die Quantensensorforschung voranbringen und zu einer Reihe neuer Anwendungen führen, beispielsweise zur Krankheitsdiagnose und zur Erkennung von Umweltverschmutzung.

Licht ist ein sehr empfindliches und verletzliches physikalisches Phänomen. Licht kann je nach Materialeigenschaften an der Oberfläche eines Materials absorbiert oder reflektiert werden oder seine Form ändern und in Wärmeenergie umgewandelt werden. Wenn Licht die Oberfläche eines metallischen Materials erreicht, neigt es auch dazu, Energie an die Elektronen im Inneren des Metalls zu verlieren, ein breites Spektrum von Phänomenen, die wir „optischen Verlust“ nennen.

Die Herstellung ultrakleiner optischer Elemente, die Licht auf verschiedene Arten nutzen, ist sehr schwierig, da eine kleinere optische Komponente zu einem größeren optischen Verlust führt. In den letzten Jahren wurde jedoch die nicht-hermitesche Theorie, die den optischen Verlust auf völlig andere Weise nutzt, auf die Optikforschung angewendet. Neue Erkenntnisse in der Physik werden durch die Übernahme einer nicht-hermiteschen Theorie gewonnen, die optische Verluste umfasst und Möglichkeiten erforscht, das Phänomen zu nutzen, im Gegensatz zur allgemeinen Physik, in der optischer Verlust als unvollkommene Komponente eines optischen Systems wahrgenommen wird. Ein „versteckter Segen“ ist etwas, das zunächst wie eine Katastrophe erscheint, am Ende aber zu Glück führt. Diese Forschungsgeschichte ist ein Segen in der Physik.

Visualisierung des auf ein Metagitter einfallenden Lichts und seiner Umwandlung in unidirektionale SPPs. (Simulation) Bildnachweis: POSTECH

Prof. Junsuk Rho (Departments of Mechanical Engineering and Chemical Engineering) from POSTECH and PhD candidates Heonyeong Jeong and Seokwoo Kim (Mechanical Engineering) from POSTECH, and Prof. Yongmin Liu of Northeastern University (NEU) in Boston and their joint research team were able to control the direction of light beams using non-Hermitian meta-grating systems. The paper was featured in Science Advances<em>Science Advances</em> is a peer-reviewed, open-access scientific journal that is published by the American Association for the Advancement of Science (AAAS). It was launched in 2015 and covers a wide range of topics in the natural sciences, including biology, chemistry, earth and environmental sciences, materials science, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Science Advances, die internationale Fachzeitschrift.

Wenn Licht auf eine Metalloberfläche fällt, schwingen die Elektronen im Metall gemeinsam als ein einziger Körper mit der Lichtwelle. Das Phänomen wird Oberflächenplasmonpolariton oder SPP genannt. Ein „Gitterkoppler“ wird häufig als Hilfsgerät zur Steuerung der Richtungen der SPPs verwendet. Die Effizienz des Geräts ist dadurch begrenzt, dass es das rechtwinklig einfallende Licht in SPPs in unbeabsichtigte Richtungen umwandelt.

Beobachtung des Interferenzmusters zwischen dem sich nach rechts ausbreitenden SPP und dem vom Metagitter reflektierten SPP. Aufgrund der Unidirektionalität des Metagitters sendet das SPP nicht in die entgegengesetzte Richtung durch das Metagitter. Bildnachweis: POSTECH

Das Forschungsteam wandte die nicht-hermitesche Theorie an, um diesen Nachteil zu überwinden. Zunächst berechnete das Team den theoretischen Ausnahmepunkt, in dessen Nähe ein bestimmter optischer Verlust auftritt. Anschließend validierten sie seine Wirksamkeit durch Experimente mit ihrem speziell entwickelten nicht-hermiteschen Metagitterkoppler. Der Metagitterkoppler erwies sich als wirksam bei der unidirektionalen Steuerung von SSPs, was mit anderen Gitterkopplern nahezu unmöglich war. Sie könnten auch dafür sorgen, dass sich Licht und SPP in entgegengesetzte Richtungen ausbreiten, indem sie die Größe und den Abstand der Metagitter steuern. Dem Forschungsteam gelang es, mit demselben Metagittergerät die Umwandlung von einfallendem Licht in SSPs zurück in normales Licht zu erreichen.

Die Forschungsergebnisse können in der Quantensensorforschung in verschiedenen Bereichen nützlich sein, beispielsweise beim Nachweis von Antigenen zur Krankheitsdiagnose oder bei der Erkennung schädlicher Gase in der Atmosphäre, was in Kombination mit der Technik die Tür zu einem breiten Anwendungsspektrum öffnen könnte. Prof. Junsuk Rho, der das Team leitete, sagte: „Diese Forschung brachte nicht-hermitesche Optik in den Nanobereich. Sie wird zur Entwicklung zukünftiger plasmonischer Geräte beitragen, die über eine hervorragende Richtungssteuerbarkeit und Leistung verfügen.“

Referenz: „Subwavelength control of light transport at the Exceptional Point by non-Hermitian metagratings“ von Yihao /sciadv.adf3510

Die Forschung wurde von der US National Science Foundation, der Samsung Science and Technology Foundation und der National Research Foundation of Korea finanziert.