Rozwój pierwszej na świecie ultracienkiej, bipolarniej meta-soczewki zakończony sukcesem

2013-03-14_EBL

Prof. Dr. Thomas Zentgraf, kierownik grupy badawczej „Ultraszybka nanofotonika“ na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Paderborn, oraz Dr. Shuang Zhang, kierownik zespołu na Uniwersytecie Birmingham, wspólnie opracowali na świecie pierwszą ultracienką soczewkę do światła widzialnego.

W przeciwieństwie do tradycyjnych szlifowanych soczewek szklanych, nowa soczewka jest płaska i ekstremalnie cienka. Ma zaledwie 20 do 30 nanometrów (nm) grubości, czyli 0,00002 do 0,00003 mm. Ludzze włosy są porównywalnie około 2.000 razy grubsze.

Soczewka składa się z nowatorskiego tak zwanego metamateriału, będącego połączeniem szkła i złota, które powiększa lub pomniejsza obiekty w zależności od rodzaju padającego światła, tj. jego stanu polaryzacji. „Meta-soczewka pokazuje, jakie możliwości mogą być odkryte dzięki nowoczesnym materiałom optycznym, aby bardzo skutecznie celowo wpływać na światło,” mówi Thomas Zentgraf: „Otwiera to elastyczne nowe możliwości tworzenia specjalnych właściwości materiałów, ponieważ struktura powierzchni może być dowolnie modyfikowana.”

Meta-soczewka może być wykorzystywana w elementach fotoniki i dzięki swojej płaskiej formie umożliwia bardzo kompaktową konstrukcję, np. w zintegrowanych obwodach optycznych lub w kształtowaniu wiązki światła diod LED. Kolejne zastosowania można rozważać w biofizyce, np. do tak zwanej „optycznej pincety”. W tym przypadku meta-soczewka może generować specjalny profil wiązki światła, którym można „złapać” i unieruchomić obiekty. A w przyszłych rozwojach komputera kwantowego soczewka może przejąć funkcję tranzystorów, gdy będzie używana jako „światłowy przełącznik”.

Metamateriał nowej soczewki składa się z sztucznie wytworzonej, mikroskopijnie cienkiej struktury. Na szklanym nośniku za pomocą litografii elektronowej tworzone są złote pręciki o długości 100 do 200 nm. W zależności od ich ułożenia, wpływają one na padające światło jak małe anteny, lokalnie różnie. Dzięki temu można uzyskać efekt zwykłej soczewki rozpraszającej lub skupiającej. Jeśli na meta-soczewkę pada światło o polaryzacji kołowej prawoskrętnej, działa ono skupiająco. Przy polaryzacji lewoskrętnej światło jest rozpraszane, czyli rozbiega się. Właściwości meta-soczewki (skupiające lub rozpraszające) można więc zmieniać prostym zmianą stanu drgań światła, co nie jest możliwe w przypadku tradycyjnej soczewki, której właściwości są stałe.

Ponieważ rozmiar złotych pręcików w soczewce musi być dostosowany do koloru, czyli długości fali używanego światła, struktury na soczewce są odpowiednio małe. „Przetestowaliśmy na końcu spektrum światła widzialnego, przy około 700 nm,” mówi Thomas Zentgraf: „Jesteśmy na granicy obecnych możliwości technicznych litografii elektronowej, ale i to będzie się rozwijać.”

Prof. Dr. Thomas Zentgraf kieruje grupą „Ultraszybka nanofotonika” na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Paderborn i jest członkiem Centralnej Jednostki Naukowej „Center of Optoelectronics and Photonics Paderborn (CeOPP)”. Jego zespół zajmuje się rozwojem sztucznych materiałów optycznych oraz nowych koncepcji wpływania na rozchodzenie się światła. Oryginalna publikacja dostępna w internecie: http://www.nature.com/ncomms/journal/v3/n11/full/ncomms2207.html