Os pesquisadores de Harvard desenvolveram uma metassuperfície que compreende uma única camada plana de nanoestruturas exibindo forte quiralidade óptica na transmissão. Isso significa que ele pode deixar a luz circularmente polarizada de uma polarização passar quase sem obstáculos, enquanto a luz de helicidade oposta é completamente difratada. Esses recursos são incrivelmente úteis para uma série de aplicativos, incluindo espectroscopia de dicroísmo circular na análise de amostras de drogas, e filtros de polarização em telecomunicações.
Este trabalho desafia algumas noções de longa data sobre metamateriais quirais e metassuperfícies. "Anteriormente, as pessoas pensaram que para alcançar um forte, resposta quiro-óptica intrínseca, as estruturas tinham que ser complicadas formas tridimensionais, como saca-rolhas ou hélices, a fim de quebrar a simetria ", afirma o Prof. Federico Capasso, da Harvard University. "Esses metamateriais 3-D eram extremamente difíceis de fabricar em grande escala. Com este trabalho, mostramos que mesmo uma camada plana de nanoestruturas dielétricas cuja espessura está na ordem do comprimento de onda incidente pode exibir forte quiralidade intrínseca. Isso oferece uma maneira prática de tais dispositivos serem implementados em várias aplicações, pois agora eles podem ser feitos em uma única etapa litográfica. "
Os autores conseguiram isso usando nanoestruturas em forma de gama feitas de óxido de titânio, um material dielétrico de índice relativamente alto. "Isso nos permite criar estruturas planas com um forte momento magnético no plano, sem recorrer à geometria 3-D. Ao otimizar ainda mais os parâmetros no plano dos gammadions, podemos alcançar o acoplamento necessário entre os momentos elétricos e magnéticos para observar uma forte atividade quiro-óptica intrínseca, "diz Alexander Zhu, primeiro autor do estudo.
Os autores alcançaram experimentalmente até 80% de dicroísmo circular na transmissão em comprimentos de onda verdes, com mais de 90 por cento da luz com a helicidade correta transmitida na incidência normal. Este resultado está no mesmo nível dos metamateriais 3-D de última geração e excede em muito as contrapartes planas em condições semelhantes.
Uma análise mais aprofundada aponta para alguma física rica subjacente a este fenômeno de quiralidade intrínseca gigante em estruturas planas. Os autores descobriram que a resposta óptica das estruturas gammadion é dominada por multipolares de ordem superior, como o quadrupolo toroidal e o octupolo magnético. Na mídia que ocorre naturalmente, tais ordens elevadas são incrivelmente pequenas, de modo que apenas respostas dipolo são tipicamente observadas. Contudo, sua existência é crítica, uma vez que os modos dipolo irradiam principalmente ao longo da incidência normal, ao passo que a direção da radiação primária para os modos de ordem superior é fora do normal. Isso fornece algumas dicas sobre o design e a otimização dessas nanoestruturas. Os autores estão agora buscando melhorar ainda mais esses resultados e desenvolver um rápido, sensor eficiente para detecção espectroscópica de compostos quirais.
Esta pesquisa foi publicada na revista Luz:Ciência e Aplicações .
