Metamateriaali ohjaa valon korrelaatioita

Kaavio ehdotetusta resonaattorista, jossa taustapeili on korvattu eENZ -peilillä.

(21.10.2021) Yhteistyössä Tampereen yliopiston ja Itä-Suomen yliopiston välillä tutkijat ovat teoreettisesti osoittaneet, että valon korrelaatioita voidaan ohjata metamateriaalilla, joka tunnetaan nimellä tehostetut epsilon near-zero (eENZ) -materiaalit.

Materiaali mahdollistaa pienet ja korkealaatuiset laserit, joilla odotetaan olevan sovelluksia esimerkiksi kuvantamiseen, virtauksen havaitsemiseen ja langattomaan optiseen viestintään.

Valonlähdettä suunniteltaessa tyypillisesti rajoitetaan niiden tavoite tiettyihin korrelaatio-ominaisuuksiin. Esimerkiksi yksimuotoisessa laserissa korrelaatioita löytyy koko aaltorintamalta. Kuitenkin optisia onteloita, jotka tukevat vain yhtä tilaa, on yleensä suhteellisen vaikea valmistaa.

Ontelo, joka tukee useita tiloja, on helpompi valmistaa, mutta tällaisessa laserissa korrelaatiot häviävät läsnä olevien tilojen määrästä riippuen.

”Molemmilla näistä lähteistä on käyttötarkoituksensa ja viimeisten 20 vuoden aikana on käytetty paljon vaivaa molempien maailmojen parhaan saavuttamiseksi. Muutama vuosi sitten tuli ajatus korrelaatio-ominaisuuksien vaihtamisesta ja se on saanut siitä lähtien paljon huomiota”, sanoo tutkijatohtori Matias Koivurova Tampereen yliopistosta.

Tutkijatiimin lähestymistapa on kehittyneempi kuin aikaisemmat yritykset ja se saavuttaa lähes täydellisen vaihdon korkean ja matalan korrelaatiotilojen välillä.

Lisäämällä eENZ-peili yhdeksi ontelopeilistä perinteinen monimoodinen ontelo muutetaan tukemaan vain yhtä tilaa resonaattorin parametreista riippumatta. Tämän muunnoksen tekee mahdolliseksi se, että eENZ -peili käyttäytyy kuin kulmallinen neulanreikä: kun tulevalla valolla on sopiva polarisaatio, se heijastaa valoa vain suhteellisen kapeassa kartiossa.

EENZ-peilillä on erityinen vaste erilaisiin valon polarisaatioihin. Kun poikittaissähköinen (TE) polarisoitu valo osuu siihen, metamateriaali käyttäytyy enemmän kuin perinteinen peili. Toisaalta, kun polarisaatiota käännetään 90 astetta poikittaiseen magneettiseen (TM), kulmallinen reikävaikutus tulee näkyväksi.

TM-polarisoitu valo herättää materiaalissa niin kutsuttuja Ferrell-Berreman-tiloja ja heikentää voimakkaasti valoa, joka osuu eENZ-peiliin riittävän suurella kulmalla.

”Hallitsemalla valon polarisaatiota onkalon sisällä tiimimme pystyi vaihtamaan valon korrelaatio-ominaisuuksia halutessaan siirtymällä lähes korreloimattomasta täysin korreloituun. Nyt meidän on vain rakennettava itse laite!" Koivurova päättää.

Tutkimus on ensimmäinen, joka osoittaa korrelaatio-ominaisuuksien puolijohdekytkennän ja sen odotetaan löytävän sovelluksia kuvantamiseen, virtauksen havaitsemiseen, vapaan tilan televiestintään ja jopa inertiaaliseen sulkeutumiseen. Lisäksi eENZ-peili mahdollistaa suhteellisen helpon pienten ja korkealaatuisten lasereiden valmistuksen.

Aiheesta aiemmin:

Metapinnan avulla terahertsilaseri

Laseronteloille uusia muotoja ja toimintoja