Het ontwerpen van een op een spiraalladder geïnspireerd hulpmiddel dat nauwkeurige controle van de lichtrichting en polarisatie mogelijk maakt

Fotonica is de studie van het genereren, detecteren en manipuleren van lichtgolven in de vorm van fotonen. Een interessante eigenschap van licht is polarisatie, gedefinieerd door de elektrische en magnetische velden die oscilleren in elke richting loodrecht op de voortplantingsrichting. Deze oscillatie is ook niet beperkt tot één vlak. Circulaire polarisatie vindt plaats wanneer lichtgolven elektrische velden hebben die een spiraalvormig traject volgen in de voortplantingsrichting.

Deze circulair gepolariseerde golven hebben toepassingen in biologische en chemische detectie, optische communicatie en kwantumcomputers, maar het beheersen ervan is een uitdaging. “Wanneer we circulair gepolariseerd licht genereren, willen we ervoor zorgen dat het in een specifieke hoek wordt gericht, zodat we het kunnen verzamelen en efficiënt kunnen gebruiken”, legt Wu Lin, universitair hoofddocent aan de Singapore University of Technology and Design (SUTD) uit.

De beste compacte lichtbronnen zijn kwantumdots: halfgeleider nanokristallen met kwantummechanisch gedrag dankzij hun kleine formaat (2-10 nanometer). Het uitgezonden licht gaat alle kanten op en heeft een slechte polarisatie, maar door het naast nanostructuren te plaatsen is directionele emissie of circulaire polarisatie mogelijk. Gelijktijdige controle over zowel richting als polarisatie is echter nooit bereikt.

In hun krant “Unidirectionele chirale emissie via gedraaide dubbellaagse metasurfaces“, wilden universitair hoofddocent Wu en haar team deze kloof overbruggen. De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie.

In wezen werd het team geconfronteerd met een multidimensionaal probleem. Ze moesten de richting van de uitgezonden straal en de polarisatie van het licht controleren, terwijl ze gebruik maakten van een nauwkeurig ontworpen resonantie van de structuur.

Bovendien is een circulair gepolariseerde golf chiraal, wat betekent dat het spiegelbeeld er niet bovenop kan worden gelegd. Om een ​​structuur te creëren die chirale golven uitzendt, moeten alle spiegelsymmetrieën van de structuur worden verbroken, waardoor ze ongebruikelijke ontwerpen krijgen.

De oplossing werd voorgesteld door SUTD-NUS Ph.D. student en eerste co-auteur van het artikel, Dmitrii Gromyko, werkend onder supervisie van universitair hoofddocent Wu. Geïnspireerd door een spiraalladder en een tweekoppige trommel, ontwikkelde Dmitrii eerst het ontwerp van gedraaide dubbellaagse metasurfaces, bestaande uit twee lagen periodiek gerangschikte schijven met inkepingen die onder specifieke hoeken waren uitgesneden. Deze innovatieve aanpak werd verder verfijnd door universitair hoofddocent Wu en het onderzoeksteam.

Het belangrijkste element dat deze structuur succesvol maakt, is het dubbellaagse ontwerp. Omdat beide lagen voorafgaand aan hun koppeling afzonderlijk kunnen worden bestuurd, biedt het metasurface zowel veelzijdigheid als synergie. Dit ontwerp was

‘Hoewel de elektrische velden van onze golven in de ruimte gelijkmatig en continu zijn, kunnen ze worden gegenereerd door slechts twee lagen schijven die lijken op een spiraalvormige ladder met twee treden. Het beklimmen van twee treden van deze ladder is voldoende om te weten of je dat bent. een pad met de klok mee of tegen de klok in nemen. In het geval van fotonische nanostructuren hoef je alleen maar de juiste maat te kiezen voor de treden van je ladder,’ zei Dmitrii.

Voor de drumanalogie veroorzaakt het geluid van het raken van het bovenste drumvel trillingen in het onderste drumvel, waardoor hun trillingen worden gekoppeld. Hetzelfde geldt voor de nanostructuur, behalve dat de inkepingen in de schijven asymmetrie veroorzaken. Deze asymmetrie maakt het mogelijk de polarisatie van uitgezonden golven te controleren door de ingekerfde schijven in elke laag te roteren.

Met dit ontwerp kon het team drie parameters controleren die essentieel zijn voor de nauwkeurige controle van de emissie: de afstand tussen de twee lagen, de hoek tussen de inkepingen in de bovenste en onderste schijven, en de laterale verschuiving van de middelpunten van de bovenste schijven met ten opzichte van de onderste schijven. Het creëren van zo’n nanostructuur was echter een enorme prestatie.

“Dit is een echte uitdaging omdat je de twee lagen verticaal moet uitlijnen met een nauwkeurigheid van 10 nanometer. Ik ben er trots op dat we in Singapore over zulke capaciteiten beschikken, net als onze collega’s van het Agency for Science, Technology and Research en de National University uit Singapore voerde de fabricage- en meetstappen uit”, aldus universitair hoofddocent Wu. Het primaire experimentele werk werd uitgevoerd door het team onder leiding van universitair hoofddocent Zhaogang Dong, die onlangs toetrad tot het wetenschaps-, wiskunde- en technologiecluster van SUTD.

Het ontwikkelen van deze dubbellaagse metasurfaces heeft verschillende voordelen. Theoretisch gezien bevordert het het inzicht in het veld van resonanties in meerlaagse systemen, ontwerpbenaderingen en fabricagetechnologie. In de praktijk maakt het de asymmetrische gerichte emissie van golven met op maat gemaakte eigenschappen mogelijk. De nanostructuur kan dan onder meer functioneren als efficiënte emitters, routers of roosterkoppelingen van circulair gepolariseerde golven.

Als volgende stap wil het team hun dubbellaagsontwerp integreren met nano-elektromechanische systemen om herconfigureerbare chirale metasurface-systemen te bereiken die de lichtemissiehoek, golflengte en polarisatie actief kunnen manipuleren.

Deze studie belichaamt het SUTD-principe van het kruisen van ontwerp en technologie en maakt de weg vrij voor het maken van ultracompacte apparaten met specifieke eigenschappen die voldoen aan de behoeften van moderne wetenschap en technologie.

“Er zijn talloze uitdagingen en praktische problemen die wachten om opgelost te worden met een slim ontwerp”, zegt universitair hoofddocent Wu. “Het draait allemaal om het ontwerpen van nieuwe oplossingen en het bevorderen van de huidige technologie.”