Künstlich strukturierte Materialschichten - so genannte Metaoberflächen - können spannende optische Eigenschaften aufweisen. Solche Designeroberflächen wurden bereits für die Strahlformung durch lokale Manipulation von Lichtfeldern, für optische Sensoren, Lichtlenkung, Spektralfilterung und Vieles mehr eingesetzt. Diese vielseitige Funktionalität von Metaoberflächen ist eine direkte Folge des zugrundeliegenden Arbeitsprinzips, Funktion durch Struktur, eine Methode, die von Mutter Natur perfektioniert wurde. Die tatsächlichen optischen Eigenschaften hängen dabei von den einzelnen Bausteinen (Material, Geometrie, Form, Größe) ab, aus denen die Oberflächen aufgebaut sind, sowie von deren relativer Anordnung.
Metaoberflächen bieten auch die Möglichkeit, den Lichtfluss durch Anregung von Gittermoden, die sich entlang der strukturierten Oberfläche ausbreiten, zu steuern. Die erstmals 1902 von Wood für einfache Beugungsgitter entdeckte und später von Rayleigh und Fano interpretierte beugende Kopplung an elektromagnetische Wellen, die sich entlang der strukturierten Schichten ausbreiten und gewöhnlich als Wood- oder Rayleigh-Anomalien bezeichnet werden, spielt auch in der modernen Metaoberflächen-Forschung eine wichtige Rolle.
Im Rahmen eines Gemeinschaftsprojekts von Teams aus Graz, Monterrey, Ottawa und Erlangen konnte nun erstmals gezeigt werden, dass die Wechselwirkung von Licht mit einer aus symmetrischen Nanostrukturen bestehenden Metaoberfläche eine polarisationsabhängige, gerichtete Lichtlenkung ermöglicht.
Der Ursprung dieses Phänomens ist das Wechselspiel zwischen symmetrischen und antisymmetrischen Moden, die von den einzelnen Nanostrukturen in der künstlichen Metastruktur unterstützt werden. Noch spannender ist die Tatsache, dass Vorzeichen und Stärke der beobachteten Gerichtetheit der Gittermoden sowie die Beugung aus der Ebene heraus empfindlich von der eintreffenden Polarisation abhängen und somit einen ultradünnen optischen Router oder eine Verkehrssteuerung in der Ebene darstellen. Die beobachteten Eigenschaften des untersuchten Systems können in einem breiten Wellenlängenbereich realisiert werden und eröffnen einen Weg für Anwendungen in der Lichtlenkung, -aufteilung und -kontrolle.
Referenz:
Mousavi, S., Butt, M. A., Jafari, Z., Reshef, O., Boyd, R. W., Banzer, P., & De Leon, I. (2024). Polarization-controlled unidirectional lattice plasmon modes via a multipolar plasmonic metasurface. Applied Physics Letters, 124(18). https://doi.org/10.1063/5.0195583
Kontakt:
Peter Banzer; Optics of Nano and Quantum Materials (website)