Pesquisadores do CIC nanoGUNE (San Sebastian, Espanha) e colaboradores relataram em Ciência o desenvolvimento de uma chamada metassuperfície hiperbólica na qual a luz se propaga com wafefronts completamente remodelados. Esta conquista científica em direção ao controle e monitoramento mais preciso da luz é altamente interessante para miniaturizar dispositivos ópticos para detecção e processamento de sinal.

As ondas ópticas que se propagam para longe de uma fonte pontual geralmente exibem frentes de onda circulares (convexas). "Como ondas na superfície da água quando uma pedra cai, "diz Peining Li, Membro da UE Marie Sklodowska-Curie no nanoGUNE e primeira autora do artigo. A razão para esta propagação circular é que o meio pelo qual a luz viaja é tipicamente homogêneo e isotrópico, ou seja, uniforme em todas as direções.

Os cientistas previram teoricamente que superfícies especificamente estruturadas podem virar as frentes de onda da luz de cabeça para baixo quando ela se propaga ao longo delas. "Em tais superfícies, chamadas metassuperfícies hiperbólicas, as ondas emitidas de uma fonte pontual se propagam apenas em certas direções, e com frentes de onda abertas (côncavas), "explica Javier Alfaro, Ph.D. estudante da nanoGUNE e co-autora do artigo. Essas ondas incomuns são chamadas de polaritons superficiais hiperbólicos. Porque eles se propagam apenas em certas direções, e com comprimentos de onda que são muito menores do que a luz no espaço livre ou guias de onda padrão, eles poderiam ajudar a miniaturizar dispositivos ópticos para detecção e processamento de sinais.

Agora, os pesquisadores desenvolveram uma metassuperfície para luz infravermelha. É baseado em nitreto de boro, um material 2-D semelhante ao grafeno, que foi selecionado por causa de sua capacidade de manipular luz infravermelha em escalas de comprimento extremamente pequenas. Isso tem aplicações em sensores químicos miniaturizados ou para gerenciamento de calor em dispositivos optoeletrônicos em nanoescala. Os pesquisadores observaram diretamente as frentes de onda côncavas com um microscópio óptico especial.

Metassuperfícies hiperbólicas são difíceis de fabricar, porque é necessária uma estruturação extremamente precisa em escala nanométrica. Irene Dolado, Ph.D. estudante da nanoGUNE, e Saül Vélez, O ex-pesquisador de pós-doutorado da nanoGUNE (agora na ETH Zürich) dominou esse desafio usando litografia por feixe de elétrons e gravação de flocos finos de nitreto de boro de alta qualidade fornecidos pela Kansas State University. "Após várias etapas de otimização, alcançamos a precisão necessária e obtivemos estruturas de grade com tamanhos de lacuna tão pequenos quanto 25 nm, "Dolado diz." Os mesmos métodos de fabricação também podem ser aplicados a outros materiais, que poderia abrir o caminho para a realização de estruturas de metassuperfície artificiais com propriedades ópticas personalizadas, "acrescenta Saül Vélez.

Para ver como as ondas se propagam ao longo da metassuperfície, os pesquisadores usaram uma técnica de nanoimagem infravermelha de última geração, desenvolvida pelo grupo de nanóticos da nanoGUNE. Eles primeiro colocaram um nanorod infravermelho de ouro na metassuperfície. "Ele desempenha o papel de uma pedra jogada na água, "diz Peining Li. O nanobastão concentra a luz infravermelha incidente em um ponto minúsculo, que lança ondas que se propagam ao longo da metassuperfície. Com a ajuda do chamado microscópio de campo próximo de varredura do tipo espalhamento (s-SNOM), os pesquisadores obtiveram imagens das ondas. "Foi incrível ver as imagens. Elas realmente mostraram a curvatura côncava das frentes de onda que se propagavam a partir do nanorod de ouro, exatamente como previsto pela teoria, "diz Rainer Hillenbrand, Professor Ikerbasque no nanoGUNE, quem liderou o trabalho.

Os resultados prometem que materiais 2-D nanoestruturados se tornem uma nova plataforma para dispositivos e circuitos de metassuperfície hiperbólicos, e demonstrar ainda como a microscopia de campo próximo pode ser aplicada para desvendar fenômenos ópticos exóticos em materiais anisotrópicos e para verificar novos princípios de projeto de metassuperfície.