Riesiger ultraschneller Dichroismus und Doppelbrechung mit aktiven nichtlokalen Metaoberflächen

Die genaue und effiziente Kontrolle der Eigenschaften von Licht bei ultraschnellen Geschwindigkeiten bis hinunter in den Pikosekundenbereich ist eine anspruchsvolle Aufgabe, die für viele wissenschaftliche Anwendungen und Technologien von entscheidender Bedeutung ist. So kann man beispielsweise bei optischen Freiraumverbindungen die Eigenschaften des Lichts nach Bedarf manipulieren, um digitale Informationen robust über lange Distanzen und ohne Glasfasern zu kodieren und zu übertragen.

In diesem Zusammenhang haben ultradünne nanostrukturierte Materialien (Metaoberflächen) in Kombination mit ultrakurzen Lichtimpulsen als vielversprechende, flexible Plattform, die rein optisch arbeitet, an Bedeutung gewonnen. Das heißt, ein erster intensiver Lichtimpuls verändert vorübergehend die optischen Eigenschaften des Systems für ein kurzes Zeitintervall, während ein zweiter schwacher Impuls, der in diesem Zeitfenster mit der Struktur interagiert, entsprechend beispielsweise in Amplitude oder Polarisation verändert wird. Diese Veränderung kann genutzt werden, um ein ultraschnelles „Bit“ für die Kommunikation oder Berechnung zu kodieren.

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Professor Giuseppe Della Valle von der Fakultät für Physik des Politecnico di Milano (Italien) hat eine Metaoberfläche vorgeschlagen, die zu äußerst effizienten Modulationen der Lichtpolarisation fähig ist und bei schwacher Photoanregung bemerkenswert große Variationen in Amplitude (> 400 %) und Phase (> 90°) erreicht.

Eine neue Studie mit diesen Ergebnissen wurde veröffentlicht In Licht: Wissenschaft und Anwendungen. Wissenschaftler der Université Paris-Cité in Paris (Frankreich) haben die Metaoberfläche hergestellt, während das Design, die Experimente und die numerischen Simulationen in Mailand durchgeführt wurden. Die Studie wurde in Zusammenarbeit mit dem Italian Institute of Technology, der University of Sofia (Bulgarien) und der Australian National University im Rahmen des H2020 FET-OPEN-Projekts METAFAST durchgeführt.

Das nanostrukturierte Material besteht aus Drähten aus einem Halbleitermaterial namens AlGaAs, die mehrere hundert Nanometer dick sind (das ist weniger als ein Hundertstel der Dicke eines Haares), und periodisch angeordnet sind, um eine quasi-flache Oberfläche zu bilden. Auf dieser Plattform haben die Experimente außergewöhnliche Leistungen bei der Modulation der Polarisation von Licht gezeigt.

Insbesondere ermöglicht die Photoanregung eine vorübergehende Veränderung der dichroitischen Eigenschaften der Metaoberfläche: Das bedeutet, dass die Struktur auf linear polarisierte Lichtstrahlen in orthogonalen Richtungen völlig anders reagiert, mit Pikosekunden-Variationen von bis zu 470 %.

Darüber hinaus ermöglicht diese Strategie für ausgewählte Wellenlängen die vorübergehende Umwandlung linearer in nahezu zirkulare Polarisation (Modulation der Doppelbrechung), wie bei einer ultraschnellen Viertelwellenplatte, die bei Bedarf photoaktiviert wird. Die außergewöhnliche Effizienz dieser Prozesse wird durch die Ausnutzung der besonderen Eigenschaften photoangeregten Materials erreicht, kombiniert mit einer rationalen Gestaltung der geometrischen Parameter der Metaoberfläche durch numerische Simulationen.

Diese Ergebnisse deuten auf einen vielversprechenden Ansatz für die effiziente rein optische Modulation von Lichteigenschaften hin, bei der große Kontraste durch schwache Steuerimpulse für reale Anwendungen entscheidend sind. Die allgemeine Gültigkeit des vorgeschlagenen Konzepts lässt sich leicht auf andere halbleiterbasierte Plattformen und Lichteigenschaften ausweiten und eröffnet spannende Wege zur bedarfsgerechten Manipulation optischer Signale für die Telekommunikation und darüber hinaus.