Des chercheurs de Harvard ont développé une métasurface comprenant une seule couche plane de nanostructures présentant une forte chiralité optique en transmission. Cela signifie qu'il peut laisser passer la lumière polarisée circulairement d'une polarisation presque sans entrave, tandis que la lumière de l'hélicité opposée est complètement diffractée. De telles capacités sont incroyablement utiles pour une multitude d'applications, y compris la spectroscopie de dichroïsme circulaire dans l'analyse d'échantillons de drogue, et les filtres de polarisation dans les télécommunications.
Ce travail remet en question certaines notions de longue date sur les métamatériaux et les métasurfaces chiraux. "Précédemment, les gens pensaient que pour atteindre un fort, réponse chiro-optique intrinsèque, les structures devaient être des formes tridimensionnelles compliquées, comme des tire-bouchons ou des hélices, afin de casser la symétrie ", déclare le professeur Federico Capasso de l'Université Harvard. « Ces métamatériaux 3D étaient extrêmement difficiles à fabriquer à grande échelle. Avec ce travail, nous avons montré que même une couche plane de nanostructures diélectriques dont l'épaisseur est de l'ordre de la longueur d'onde incidente peut présenter une forte chiralité intrinsèque. Cela offre un moyen pratique pour que de tels dispositifs soient mis en œuvre dans diverses applications, car ils peuvent désormais être fabriqués en une seule étape lithographique. »
Les auteurs ont pu y parvenir en utilisant des nanostructures en forme de gammadion en oxyde de titane, un matériau diélectrique à indice relativement élevé. "Cela nous permet de créer des structures planes avec un fort moment magnétique dans le plan, sans recourir à la géométrie 3D. En optimisant davantage les paramètres dans le plan des gammadions, nous pouvons réaliser le couplage nécessaire entre les moments électriques et magnétiques pour observer une forte activité chiro-optique intrinsèque, " dit Alexandre Zhu, premier auteur de l'étude.
Les auteurs ont atteint expérimentalement jusqu'à 80% de dichroïsme circulaire en transmission aux longueurs d'onde vertes, avec plus de 90 pour cent de la lumière avec l'hélicité correcte transmise à une incidence normale. Ce résultat est comparable à celui des métamatériaux 3D de pointe et dépasse largement ses homologues planaires dans des conditions similaires.
Une analyse plus approfondie indique une physique riche sous-jacente à ce phénomène de chiralité intrinsèque géante dans les structures planaires. Les auteurs ont constaté que la réponse optique des structures gammadion est dominée par des multipôles d'ordre supérieur, tels que le quadripôle toroïdal et l'octupole magnétique. Dans les milieux naturels, des commandes aussi élevées sont infiniment petites, de telle sorte que seules les réponses dipolaires sont généralement observées. Cependant, leur existence est critique, puisque les modes dipolaires rayonnent principalement selon une incidence normale, alors que la direction de rayonnement primaire pour les modes d'ordre supérieur est anormale. Cela donne un aperçu de la conception et de l'optimisation de ces nanostructures. Les auteurs cherchent maintenant à améliorer encore ces résultats et à développer un capteur efficace pour la détection spectroscopique de composés chiraux.
Cette recherche a été publiée dans la revue Lumière :science et applications .
