Схематическая диаграмма метарешетки, которая преобразует нормально падающий свет в однонаправленные SPP. Элементарная ячейка метарешетки состоит из двух разных наноструктур и вызывает индивидуальные оптические потери.

Свет может поглощаться или отражаться на поверхности материала в зависимости от свойств вещества или изменять свою форму и преобразовываться в тепловую энергию. Достигнув поверхности металлического материала, свет также имеет тенденцию отдавать энергию электронам внутри металла, широкий спектр явлений, которые мы называем «оптическими потерями».

Производство сверхмалых оптических элементов, использующих свет, затруднено, поскольку меньший размер оптического компонента приводит к большим оптическим потерям. Однако в последние годы к оптическим исследованиям применяется неэрмитова теория, использующая оптические потери совершенно по-другому. Новые открытия в физике делаются за счет принятия неэрмитовой теории, которая охватывает оптические потери, и изучения способов использования этого явления, в отличие от общей физики, где оптические потери воспринимаются как несовершенный компонент оптической системы. «Замаскированное благословение» — это то, что сначала кажется катастрофой, но в конечном итоге приводит к удаче. Эта исследовательская история — скрытое благословение в физике.

Профессор Джунсук Ро (кафедры машиностроения и химической инженерии) из POSTECH и доктор философии, кандидаты Heonyeong Jeon и Seokwoo Kim (машиностроение) из POSTECH, а также профессор Yongmin Liu из Северо-восточного университета (NEU) в Бостоне и их совместная исследовательская группа смогли контролировать направление световых лучей с помощью неэрмитовых систем метарешеток. Статья была опубликована в журнале Science Advances.

Визуализация света, падающего на метарешетку, и его преобразование в однонаправленные ППП. (Моделирование).

Когда свет падает на металлическую поверхность , электроны в металле коллективно колеблются как единое тело со световой волной. Это явление называется поверхностным плазмон-поляритоном или ППП. В качестве вспомогательного устройства для управления направлениями СЭС широко используется «решетчатый ответвитель». Эффективность устройства ограничена тем, что оно преобразует падающий под прямым углом свет в SPP в непреднамеренных направлениях.

Исследовательская группа применила неэрмитову теорию, чтобы преодолеть этот недостаток. Для начала команда рассчитала теоретическую исключительную точку, вблизи которой происходит определенная оптическая потеря. Затем они подтвердили его эффективность в ходе экспериментов с использованием специально разработанного неэрмитова метарешеточного ответвителя. Метарешетчатый ответвитель оказался эффективным в обеспечении однонаправленного управления SSP, что было почти невозможно с другими решетчатыми ответвителями. Они также могли заставить свет и SPP распространяться в противоположных направлениях, контролируя размер и расстояние метарешеток. Исследовательская группа смогла добиться преобразования падающего света в SSP обратно в нормальный свет, используя то же устройство метарешетки.

Наблюдение интерференционной картины между ППП, распространяющимся вправо, и ППП, отраженным метарешеткой. Из-за однонаправленности метарешетки SPP не передает через метарешетку в обратном направлении.

Результаты исследования могут быть полезны в исследованиях квантовых датчиков в различных областях, таких как обнаружение антигенов для диагностики заболеваний или вредных газов в атмосфере, что в сочетании с инженерными разработками может открыть двери для широкого круга приложений. Профессор Джунсук Ро, возглавлявший группу, сказал: «Это исследование вывело неэрмитовскую оптику на наноразмерную территорию. Оно внесет вклад в разработку будущих плазмонных устройств, обладающих превосходной управляемостью по направлению и производительностью».