La luz láser muestra la estructura nanopatrón de un metamaterial quiral desarrollado por investigadores de la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática del Instituto de Tecnología de Georgia. Crédito:Rob Felt, Georgia Tech
Los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia han demostrado un metamaterial óptico cuyas propiedades quiropticas en el régimen no lineal producen un cambio espectral significativo con niveles de potencia en el rango de milivatios.
Los investigadores demostraron recientemente las propiedades de su metamaterial quiral, en el que modificaron espectralmente dos resonancias absortivas exponiendo gradualmente el material a intensidades de potencia más allá de su régimen óptico lineal. Con un cambio de 15 milivatios en la potencia de excitación, midieron un cambio espectral de 10 nanómetros en las resonancias de transmisión del material y una rotación de polarización de 14 grados.
Los investigadores creen que puede ser la rotación óptica no lineal más fuerte jamás reportada para un metamaterial quiral, y es aproximadamente cien mil veces mayor que la medición récord actual para este tipo de estructura. La investigación, apoyado por la National Science Foundation y el Air Force Research Laboratory, fue reportado el 27 de febrero en la revista Comunicaciones de la naturaleza .
"Las estructuras quirales a nanoescala ofrecen un enfoque para modular señales ópticas con variaciones relativamente pequeñas en la potencia de entrada, "dijo Sean Rodrigues, un doctorado candidato que dirigió la investigación en el laboratorio del profesor asociado Wenshan Cai en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática de Georgia Tech. "Ver este tipo de cambio en un material tan delgado hace que los metamateriales quiropticos sean una nueva e interesante plataforma para la modulacion de la senal optica".
Esta modulación de las respuestas quiropticas de los metamateriales mediante la manipulación de la potencia de entrada ofrece el potencial para nuevos tipos de ópticas activas, como la conmutación totalmente óptica y la modulación de la luz. Las tecnologías podrían tener aplicaciones en áreas tales como procesamiento de datos, detección y comunicaciones.
Sean Rodrigues, un doctorado candidato en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática de Georgia Tech, ajusta una muestra de un metamaterial quiral cuyas propiedades en el régimen no lineal producen un cambio espectral significativo con niveles de potencia en el rango de milivatios. Crédito:Rob Felt, Georgia Tech
Los materiales quirales exhiben propiedades ópticas que difieren según sus polarizaciones circulares opuestas. Las diferencias entre estas respuestas, que son creados por el patrón a nanoescala de materiales absorbentes, se puede utilizar para crear grandes resonancias quiropticas. Para ser útil en aplicaciones como la conmutación totalmente óptica, estas resonancias tendrían que ser inducidas por una sintonización externa, como variaciones en la entrada de energía.
"Cuando aumentas la potencia, cambias el espectro, "Dijo Rodrigues." En efecto, cambia la transmisión en ciertas longitudes de onda, lo que significa que está cambiando la cantidad de luz que pasa a través de la muestra simplemente modificando la potencia de entrada ". Para los ingenieros ópticos, eso podría ser la base para un cambio.
El material demostrado por el laboratorio de Cai está hecho mediante nano-patrones de capas de plata, de aproximadamente 33 nanómetros de espesor, sobre sustratos de vidrio. Entre las capas de plata cuidadosamente diseñadas hay una capa de 45 nanómetros de material dieléctrico. Se crea un patrón elíptico utilizando litografía por haz de electrones, luego, toda la estructura se encapsula dentro de un material dieléctrico para evitar la oxidación.
"Es la ingeniería de estas estructuras lo que nos da estas propiedades ópticas quirales, Rodrigues explicó. "El objetivo es realmente aprovechar la discrepancia entre una polarización circular y la otra para crear las resonancias de banda ancha que necesitamos".
El material opera en el espectro visible al infrarrojo cercano, en aproximadamente 740 a 1, 000 nanómetros. Las medidas de rotación óptica y dicroísmo circular se tomaron con el haz entrando en el material en un ángulo de incidencia normal.
Sean Rodrigues, un doctorado candidato en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática de Georgia Tech, se muestra con un equipo utilizado para estudiar un metamaterial quiral cuyas propiedades en el régimen no lineal producen un cambio espectral significativo con niveles de potencia en el rango de milivatios. Crédito:Rob Felt, Georgia Tech
Los investigadores indujeron el cambio en el dicroísmo circular aumentando la potencia óptica aplicada al material de 0,5 milivatios hasta 15 milivatios. Si bien eso es comparativamente baja potencia para un sistema láser, tiene un flujo de energía lo suficientemente alto (transferencia de energía en el tiempo) para instigar el cambio.
"El tamaño del haz es de aproximadamente 40 micrones, por lo que está realmente enfocado, ", dijo Rodrigues." Estamos poniendo mucha energía en un área pequeña, lo que hace que el efecto sea bastante intenso ".
Los investigadores aún no saben qué impulsa el cambio, pero sospecho que los procesos térmicos pueden estar involucrados en la alteración de las propiedades del material para impulsar el dicroísmo circular. Las pruebas muestran que las aplicaciones de energía no dañan el metamaterial.
El laboratorio de Cai ha estado estudiando materiales quirales de diferentes tipos para una variedad de aplicaciones ópticas. En junio de 2015, informaron de la realización de una de las predicciones teóricas de larga data en metamateriales ópticos no lineales:la creación de un material no lineal que tiene índices de refracción opuestos en las frecuencias fundamentales y armónicas de la luz. Tal material, que no existe naturalmente, se había predicho durante casi una década.
