Los investigadores de Harvard han desarrollado una metasuperficie que comprende una sola capa plana de nanoestructuras que exhiben una fuerte quiralidad óptica en la transmisión. Esto significa que puede dejar pasar la luz circularmente polarizada de una polarización casi sin obstáculos, mientras que la luz de la helicidad opuesta se difracta por completo. Estas capacidades son increíblemente útiles para una gran cantidad de aplicaciones, incluyendo espectroscopia de dicroísmo circular en el análisis de muestras de fármacos, y filtros de polarización en telecomunicaciones.
Este trabajo desafía algunas nociones de larga data sobre metamateriales y metasuperficies quirales. "Previamente, la gente pensaba que para lograr un fuerte, respuesta quiroóptica intrínseca, las estructuras tenían que ser formas tridimensionales complicadas, como sacacorchos o hélices, para romper la simetría ", dice el profesor Federico Capasso de la Universidad de Harvard. "Estos metamateriales 3-D fueron extremadamente difíciles de fabricar a gran escala. Con este trabajo, Demostramos que incluso una capa plana de nanoestructuras dieléctricas cuyo espesor es del orden de la longitud de onda incidente puede exhibir una fuerte quiralidad intrínseca. Esto ofrece una forma práctica de implementar dichos dispositivos en diversas aplicaciones, ya que ahora se pueden fabricar en un solo paso litográfico ".
Los autores pudieron lograr esto utilizando nanoestructuras en forma de gammadion hechas de óxido de titanio, un material dieléctrico de índice relativamente alto. "Esto nos permite crear estructuras planas con un fuerte momento magnético en el plano, sin recurrir a la geometría 3D. Al optimizar aún más los parámetros en el plano de los gammadions, podemos lograr el acoplamiento necesario entre los momentos eléctrico y magnético para observar una fuerte actividad quiroóptica intrínseca, "dice Alexander Zhu, primer autor del estudio.
Los autores lograron experimentalmente hasta un 80% de dicroísmo circular en la transmisión en longitudes de onda verdes, con más del 90 por ciento de luz con la helicidad correcta transmitida a incidencia normal. Este resultado está a la par con los metamateriales tridimensionales de última generación y supera en gran medida a sus homólogos planos en condiciones similares.
Un análisis más detallado apunta a una física rica que subyace a este fenómeno de quiralidad intrínseca gigante en estructuras planas. Los autores encontraron que la respuesta óptica de las estructuras de gammadion está dominada por multipolares de orden superior, como el cuadrupolo toroidal y el octupolar magnético. En medios naturales, pedidos tan altos son cada vez más pequeños, de manera que sólo se observan típicamente respuestas dipolares. Sin embargo, su existencia es crítica, Dado que los modos dipolares irradian principalmente a lo largo de la incidencia normal, mientras que la dirección de radiación primaria para modos de orden superior es anormal. Esto proporciona información sobre el diseño y la optimización de estas nanoestructuras. Los autores ahora buscan mejorar aún más estos resultados y desarrollar un método rápido, sensor eficiente para la detección espectroscópica de compuestos quirales.
Esta investigación ha sido publicada en la revista Luz:ciencia y aplicaciones .
