3-dimensionales chirales metamaterial mit sehr

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3-DIMENSIONALES CHIRALES METAMATERIAL
MIT SEHR HOHER OPTISCHER AKTIVITÄT
THREE-DIMENSIONAL CHIRAL METAMATERIAL
WITH GIANT OPTICAL ACTIVITY
Künstliche Nanomaterialien können räumliche Strukturformen
Artificial nanomaterials may exhibit a topology far off the
fernab vom thermodynamischen Gleichgewichtszustand auf-
thermodynamic equilibrium, which is their primary difference to
weisen, was sie maßgeblich von natürlich vorkommenden Mate-
natural materials. This has been impressively demonstrated by
rialien unterscheidet. Dies wurde eindrucksvoll an optischen
optical metamaterials which consist of nanoscale structures. By
Metamaterialien gezeigt, welche aus nanoskaligen Strukturen
deliberately breaking their spatial symmetries new effects occur,
bestehen. Durch den gezielten Bruch ihrer räumlichen Sym-
such as a directional asymmetry in the optical transmission |1|.
metrien treten völlig neue Effekte auf, wie beispielsweise eine
Likewise, natural effects are extraordinarily enhanced, such as
richtungsabhängige Asymmetrie der optischen Transmission |1|.
the manipulation of the polarization state of light, commonly
Ebenso können natürliche Effekte außergewöhnlich verstärkt
referred to as optical activity. In this context we investigated an
werden. Ein Beispiel ist optische Aktivität, also die Beeinflussung
optical metamaterial (Fig. 1) composed of three-dimensional,
des Polarisationszustand des Lichts. Wir untersuchten hierzu ein
chiral unit cells |2|. Exemplarily we measured all entries of its
optisches Metamaterial (Abb. 1) bestehend aus drei-dimensio-
broadband complex Jones matrix, obtaining a complete data set
nalen, chiralen Einheitszellen |2|. Daran wurden alle Kompo-
that comprises all transmission properties of the metamaterial
nenten der komplexen Jones-Matrix optisch gemessen, woraus
for visible and near-infrared light (Fig. 2). Amongst them, a
ein kompletter experimenteller Datensatz bezüglich aller mit
peak polarization azimuth rotation of linearly polarized light
der Transmission korrelierten Eigenschaften des Metamaterials
exceeding 50° was found for a wavelength of 1.08 μm. Normal-
für sichtbares und nah-infrarotes Licht hervorgeht (Abb. 2).
izing this record-breaking value, based on entirely experimental
means, to the light propagation path, it exceeds comparable
1 Herstellungsprozess eines optisch aktiven, plasmonischen, chiralen Nanomaterials sowie eine entsprechende eingefärbte
Rasterelektronenmikroskopaufnahme während der Herstellung.
| Fabrication procedure of the optically active plasmonic chiral nano-
material and a false-colored scanning electron microscope image at an intermediate fabrication step. Adapted with permission from |2|.
Copyright 2011 American Chemical Society.
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I N F O R M AT
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2
Unter anderem konnte ein Spitzenwert bezüglich der Drehung
criteria of any known passive and reciprocal optical media
eines linearen Polarisationszustands von über 50° bei einer
by orders of magnitude. This proof constitutes a substantial
Wellenlänge von 1,08 μm nachgewiesen werden. Normiert
advancement in the current state of optical metamaterials.
auf den Lichtausbreitungsweg übertrifft dieser Rekordwert, der
Our applied methods open the way to the complex far field
ausschließlich auf experimentellen Daten beruht, alle bisher
characterization of a very general class of dispersive media and
bekannten passiven und reziproken optischen Medien um
will have important implications for their design, realization and
Größenordnungen.
experimental evaluation. Moreover the reported concepts and
methods can be straightforwardly applied to the realization of
Dieser Nachweis stellt einen substantiellen Fortschritt bezüglich
miniaturized optical systems based on optically active media.
des aktuellen Forschungsstandes optischer Metamaterialien dar.
Die gezeigte Methodik ermöglicht die Charakterisierung des
komplexen Fernfelds einer sehr allgemeinen Klasse dispersiver
Medien und wird wichtige Auswirkungen für deren Design,
Herstellung und experimentelle Untersuchung haben. Darüber
AUTHORS
hinaus können die erarbeiteten Konzepte direkt auf die Realisierung miniaturisierter optischer Systeme auf der Basis von optisch
Christian Helgert 1
aktiven Medien angewandt werden.
Ekaterina Pshenay-Severin 1
Matthias Falkner 1
Literatur/References
Christoph Menzel 2
|1| Menzel, C.; Helgert, C.; Rockstuhl, C.; Kley, E.-B.;
Carsten Rockstuhl 2
Tünnermann, A., Pertsch, T.; Lederer, F.: Asymmetric
Falk Lederer 2
transmission of linearly polarized light at optical
Ernst-Bernhard Kley 1
metamaterials, Phys. Rev. Lett. 104, 253902 (2010).
Andreas Tünnermann 1, 3
|2| Helgert, C.; Pshenay-Severin, E.; Falkner, M.;
Thomas Pertsch 1
Menzel, C.; Rockstuhl, C.; Kley, E.-B.; Tünnermann, A.;
1
Lederer, F.; Pertsch, T. : Chiral metamaterial composed
Friedrich-Schiller-Universität Jena
of three-dimensional plasmonic nanostructures,
2
Nano Lett. 11, 4400–4404 (2011).
Friedrich-Schiller-Universität Jena
3
2 Das optisch aktive Nanomaterial wandelt linear polarisiertes einfallendes
Institut für Angewandte Physik,
Institut für Festkörpertheorie u. -optik,
Fraunhofer IOF
CONTACT
Licht in Abhängigkeit von der Wellenlänge in elliptisch polarisiertes
Licht um.
| The optically active nanomaterial converts a linearly polarized input
Prof. Dr. Thomas Pertsch
spectrum into wavelength dependent elliptical polarization states.
Phone +49 3641 947-840
Reprinted with permission from |2|. Copyright 2011 American Chemical Society.
[email protected]
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