Licht kann je nach Materialeigenschaften an der Oberfläche eines Materials absorbiert oder reflektiert werden oder seine Form ändern und in Wärmeenergie umgewandelt werden. Wenn Licht die Oberfläche eines metallischen Materials erreicht, neigt es auch dazu, Energie an die Elektronen im Inneren des Metalls zu verlieren, ein breites Spektrum von Phänomenen, die wir „optischen Verlust“ nennen.
Die Herstellung ultrakleiner optischer Elemente, die Licht nutzen, ist schwierig, da eine kleinere optische Komponente zu einem größeren optischen Verlust führt. In den letzten Jahren wurde jedoch die nicht-hermitesche Theorie, die den optischen Verlust auf völlig andere Weise nutzt, auf die Optikforschung angewendet. Neue Erkenntnisse in der Physik werden durch die Übernahme einer nicht-hermiteschen Theorie gewonnen, die optische Verluste umfasst und Möglichkeiten erforscht, dieses Phänomen zu nutzen, im Gegensatz zur allgemeinen Physik, in der optischer Verlust als unvollkommene Komponente eines optischen Systems wahrgenommen wird. Ein „versteckter Segen“ ist etwas, das zunächst wie eine Katastrophe erscheint, am Ende aber zu Glück führt. Diese Forschungsgeschichte ist ein Segen in der Physik.
Prof. Junsuk Rho (Abteilungen für Maschinenbau und Chemieingenieurwesen) von POSTECH und Ph.D. Den Kandidaten Heonyeong Jeon und Seokwoo Kim (Maschinenbau) von POSTECH sowie Prof. Yongmin Liu von der Northeastern University (NEU) in Boston und ihrem gemeinsamen Forschungsteam gelang es, die Richtung von Lichtstrahlen mithilfe nicht-hermitescher Metagittersysteme zu steuern. Das Papier wurde vorgestellt in Wissenschaftliche Fortschritte.
Wenn Licht auf eine Metalloberfläche fällt, schwingen die Elektronen im Metall gemeinsam als ein einziger Körper mit der Lichtwelle. Das Phänomen wird Oberflächenplasmonpolariton oder SPP genannt. Ein „Gitterkoppler“ wird häufig als Hilfsgerät zur Steuerung der Richtungen der SPPs verwendet. Die Effizienz des Geräts ist dadurch begrenzt, dass es das rechtwinklig einfallende Licht in SPPs in unbeabsichtigte Richtungen umwandelt.
Das Forschungsteam wandte die nicht-hermitesche Theorie an, um diesen Nachteil zu überwinden. Zunächst berechnete das Team den theoretischen Ausnahmepunkt, in dessen Nähe ein bestimmter optischer Verlust auftritt. Anschließend validierten sie seine Wirksamkeit durch Experimente mit ihrem speziell entwickelten nicht-hermiteschen Metagitterkoppler. Der Metagitterkoppler erwies sich als wirksam bei der unidirektionalen Steuerung von SSPs, was mit anderen Gitterkopplern nahezu unmöglich war. Sie könnten auch dafür sorgen, dass sich Licht und SPP in entgegengesetzte Richtungen ausbreiten, indem sie die Größe und den Abstand der Metagitter steuern. Dem Forschungsteam gelang es, mit demselben Metagittergerät die Umwandlung von einfallendem Licht in SSPs zurück in normales Licht zu erreichen.
Die Forschungsergebnisse können in der Quantensensorforschung in verschiedenen Bereichen nützlich sein, beispielsweise beim Nachweis von Antigenen zur Krankheitsdiagnose oder bei der Erkennung schädlicher Gase in der Atmosphäre, was in Kombination mit der Technik die Tür zu einem breiten Anwendungsspektrum öffnen könnte. Prof. Junsuk Rho, der das Team leitete, sagte: „Diese Forschung brachte nicht-hermitesche Optik in den Nanobereich. Sie wird zur Entwicklung zukünftiger plasmonischer Geräte beitragen, die über eine hervorragende Richtungssteuerbarkeit und Leistung verfügen.“
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Yihao Xu et al., Subwellenlängenkontrolle des Lichttransports am Ausnahmepunkt durch nicht-hermitesche Metagitter, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adf3510