Absorbedor Quiral de Metasuperficie Plasmónica de Alto Rendimiento mediante Nanostructura de Semicírculo Torcido Bicapa para Polarización Circular Selectiva

Resumen

En este trabajo presentamos un absorbedor quiral de metasuperficie plasmónica (CMSA) que logra una absorción selectiva alta para luces de polarización circular derecha (RCP, "+") e izquierda (LCP, "−") en frecuencias ópticas. El CMSA está compuesto por un sustrato dieléctrico intercalado con una nanostructura metálica de semicírculo torcido cuádruple en bicapa. El CMSA propuesto presenta una banda de absorción selectiva intensa, donde los picos de absorción para luces LCP y RCP ocurren en frecuencias de resonancia diferentes, lo que refleja la existencia de un efecto significativo de dicromatismo circular (CD). Se demuestra que la absorbancia del CMSA alcanza el 93,2% para luz LCP y el 91,6% para luz RCP, y la magnitud máxima de CD llega a 0,85 y 0,91 alrededor de 288,5 THz y 404 THz, respectivamente. El mecanismo de la fuerte respuesta quiroptica del CMSA se ilustra mediante las distribuciones de campos eléctricos de la nanoestructura de celda unitaria. Además, se estudia sistemáticamente la influencia de la geometría del CMSA propuesto en la caracterización de absorción selectiva de polarización circular.

Introducción

La quiralidad, como fenómeno ubicuo que se refiere a una propiedad geométrica de un objeto carente de cualquier plano de simetría de inversión o espejo, siempre ha sido relevante para la ciencia y la tecnología [1, 2]. Los medios quirales suelen aparecer en dos formas enantioméricas que son simétricas respecto a un espejo y no superponibles a su imagen especular mediante simple traslación o rotación, y siempre exhiben respuestas diferentes a la luz de polarización circular derecha (RCP, "+") e izquierda (LCP, "−") [1]. El dicromatismo circular (CD) de la luz de polarización circular (CP) originado en medios quirales es una de las propiedades quiropticas más singulares. El efecto CD se refiere a la diferente respuesta de las luces RCP y LCP en medios quirales, con amplias perspectivas de aplicación en biología, ciencias médicas, química y dispositivos optoelectrónicos relacionados con la polarización [3,4,5]. Sin embargo, el efecto CD de los materiales naturales es bastante débil, lo que obstaculiza extremadamente su aplicación práctica. Las metasuperficies, como una subclase de metamateriales que consisten en estructuras planas de monocapa o pocas capas, muestran gran promesa para la manipulación arbitraria de ondas electromagnéticas (EM) o luz [6,7,8,9,10]. En particular, la metasuperficie quiral (CMS) es capaz de mejorar los efectos ópticos quirales en varios órdenes de magnitud.

Las CMS han recibido un tremendo interés desde que pueden exhibir propiedades EM exóticas, incluyendo índice de refracción negativo y actividad óptica [11, 12], transmisión asimétrica [13, 14], efecto CD gigante [15,16,17], conversión de polarización [18, 19] y manipulación de frente de onda [20, 21], etc. Desde entonces, se han propuesto sucesivamente diversas estructuras de CMS (como anillos divididos, alambres espirales, gammadión, en forma de L, etc.) para lograr una mejora de campo selectiva quiral altamente eficiente para luz LCP o RCP [22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33]. Sin embargo, la mayoría de diseños previos de CMS se centran en el rendimiento de la quiralidad en transmisión, mientras que se ha prestado mucha menos atención a la reflexión/absorción para luces CP, que son igualmente importantes en aplicaciones de ingeniería. Es bien sabido que la mayoría de estudios de absorbedores previos se aplican a luz de polarización lineal, mientras que tales diseños para luces CP rara vez se han estudiado. De hecho, las CMS también podrían usarse para construir nuevos absorbedores para luces CP [25, 26, 29,30,31,32,33]. Por ejemplo, Li et al. [25] propusieron un absorbedor ultrafino basado en alambres en forma de L, que solo puede atenuar la onda LCP en región de microondas. Wang et al. [29] demostraron que un metamirro quiral puede reflejar casi toda la luz LCP, mientras absorbe totalmente la luz RCP en región infrarroja. Tang et al. [30] propusieron un absorbedor con resonadores en forma de ŋ, que logra absorción selectiva para diferentes luces CP en el visible. Luego, se han propuesto y demostrado absorbedores quirales de infrarrojo cercano con metasuperficie plasmónica para absorber selectivamente luz LCP o RCP. Sin embargo, la absorbancia de la mayoría de CMS es inferior al 90%. Por tanto, un diseño efectivo de absorbedor quiral de metasuperficie (CMSA) con alta absorción selectiva es altamente deseable.

En este trabajo, presentamos un tipo de CMSA altamente eficiente basado en nanoestructura de semicírculo torcido cuádruple en bicapa que funciona en regiones de infrarrojo cercano y visible. Tal CMSA puede lograr selectivamente una absorción superior al 90% para diferentes luces CP de distinta quiralidad en diferentes frecuencias de resonancia. Debido a la fuerte absorción selectiva del CMSA propuesto, se puede realizar un valor alto de CD de aproximadamente 0,9. El mecanismo físico subyacente en la absorción selectiva para diferentes luces CP se ha analizado en detalle mediante distribuciones de campos eléctricos. Además, se han estudiado sistemáticamente las influencias de los parámetros geométricos de la celda unitaria hacia la absorción selectiva. Se puede creer razonablemente que los resultados de este trabajo pueden guiar el diseño de CMSA con fuerte absorción y efecto CD para muchas aplicaciones prácticas como absorbedor térmico, dispositivos de comunicación óptica, fotodetectores, filtros ópticos, imagen e hologramas.

Diseño de Celda Unitaria

La Figura 1 presenta el diagrama esquemático del CMSA propuesto, que consiste en un arreglo periódico con nanoestructura de semicírculo torcido. Las cuatro nanoestructuras de semicírculo torcido en cada lado del sustrato dieléctrico están posicionadas de modo que cada una rotada 90° respecto a su vecina, y la de la cara inferior también rotada 90° respecto a la superior, como se muestra en Fig. 1b. De manera similar a diseños previos [32], las cuatro nanoestructuras de semicírculo superiores están conectadas con la inferior mediante cilindros de cobre, y el radio del cilindro de cobre es el mismo que el ancho del alambre del semicírculo, lo que aumenta el acoplamiento conductor. La nanoestructura de semicírculo torcido puede verse como un sistema de resonadores acoplados, donde las fuertes respuestas quirales surgen del acoplamiento inductivo eléctrico y magnético entre los dos semicírculos torcidos conectados [34, 35]. Esta simple nanoestructura de semicírculo torcido con simetrías de espejo diseñadas en las capas superior e inferior permite que el CMSA propuesto mejore la quiralidad.

La celda unitaria general del CMSA propuesto exhibe una simetría rotacional cuádruple (C₄) para la dirección de propagación de la luz. El sustrato dieléctrico en la capa intermedia está hecho de MgF₂ dieléctrico libre de pérdidas con permitividad relativa de 1,9. Las nanoestructuras metálicas quirales se seleccionaron como oro, y el parámetro del material puede describirse mediante el modelo de Drude [36]. Los parámetros estructurales optimizados de la celda unitaria son: p_x = p_y = 600 nm, r = 70 nm, w = 40 nm, t_s = 120 nm, t_m = 30 nm. La celda unitaria del CMSA es periódica en direcciones x- e y-con períodos de 600 nm para evitar difracción cuando la frecuencia de la luz incidente alcanza 500 THz. Para verificar la eficiencia del CMSA propuesto, se realizaron simulaciones EM de onda completa de alta frecuencia basadas en el método de elementos finitos (FEM) usando el solucionador de dominio de frecuencia en CST Microwave Studio. Una vez configurados razonablemente la nanoestructura de celda unitaria del CMSA, condiciones de frontera adecuadas, tamaño de malla y rango de frecuencia, se pudo lanzar la simulación de dominio de frecuencia.

Resultados y Discusiones

Los coeficientes de transmisión de co-polarización simulados (t₊₊(ω), t₋₋(ω)) y reflexión (r₊₊(ω), r₋₋(ω)) para luces LCP y RCP de incidencia normal se presentan en Fig. 2. Se observan evidentemente dos modos de resonancia plasmónica quiral (modo 1 y modo 2) en frecuencias de f₁ = 288,5 THz y f₂ = 404 THz, respectivamente. Se observa que el coeficiente de reflexión de co-polarización r₊₊(ω) para RCP y r₋₋(ω) para luces LCP son iguales; y ambos son menores que 0,4 en todo el rango de frecuencia de interés. Además, las magnitudes de r₊₊(ω) y r₋₋(ω) disminuyen a aproximadamente 0,15 en resonancias, indicando adaptación de impedancia entre el CMSA y el espacio libre para luces RCP y LCP. También se ve que los coeficientes de transmisión de co-polarización t₊₊(ω) para RCP y t₋₋(ω) para luces LCP son significativamente diferentes en resonancias debido a la naturaleza quiral del CMSA propuesto. Alrededor del punto de frecuencia inferior f₁, la magnitud de t₊₊(ω) para luz RCP es aproximadamente 0,93, mucho mayor que t₋₋(ω) para luz LCP que es solo aproximadamente 0,075. Alrededor del punto de frecuencia superior f₂, la magnitud de t₊₊(ω) para luz RCP disminuye al valor mínimo de 0,018, mientras t₋₋(ω) para LCP alcanza el valor máximo de aproximadamente 0,92. Esto significa que solo la luz RCP incidente puede seleccionarse para pasar a través del CMSA mientras la luz LCP está prohibida en la frecuencia inferior. En la frecuencia superior f₂, solo la luz LCP incidente puede seleccionarse para pasar mientras la luz RCP está extremadamente prohibida. Así, los fenómenos de selección quiral del CMSA resultarían consecuentemente en diferente absorción para luces RCP y LCP, implicando la existencia de una absorción selectiva de alta eficiencia y efecto CD gigante en resonancias.

La Figura 2b muestra los espectros de absorbancia (A₊(ω), A₋(ω)) para luces LCP y RCP incidentes. Se observa que la absorbancia para luces LCP y RCP alcanza valores máximos de aproximadamente 93,2% y 91,6%, mientras que la de RCP y LCP disminuye a solo aproximadamente 8,7% y 4,8% alrededor de las dos resonancias anteriores, respectivamente. Obviamente, se puede concluir que el CMSA propuesto exhibe una fuerte absorción de luz LCP y un nivel de transmisión bastante alto para luz RCP alrededor de la frecuencia inferior f₁, mientras que la condición se invierte completamente cuando la frecuencia llega a la frecuencia de resonancia superior f₂. Esto significa que el CMSA propuesto muestra una absorción selectiva para dos luces CP con quiralidad particular mientras refleja la otra en diferentes resonancias. Además, vale la pena destacar que el CMSA tiene dos bandas de absorción fuerte usando solo una nanoestructura quiral de tamaño único, y es razonablemente superior comparado con absorbedores quirales previos con una banda de absorción aislada cuya adaptación para diferentes luces CP depende altamente de diferentes tamaños geométricos [25, 26, 29, 31,32,33]. Así, la nanoestructura quiral diseñada puede servir como absorbedor perfecto de luz LCP en frecuencia inferior y absorbedor perfecto de luz RCP en frecuencia superior. Debe notarse que el rendimiento de absorción selectiva del CMSA propuesto se deteriora con el aumento del ángulo de incidencia (incidencia oblicua), debido a la resonancia plasmónica multipolar de orden superior (no mostrado). Además, se puede inferir que la alta absorción selectiva quiral para luces CP resultará en un efecto CD gigante en el CMSA propuesto.

La diferencia de absorción o transmisión entre luces LCP y RCP puede caracterizarse por el parámetro CD Δ. La Figura 3a presenta el espectro CD del CMSA, donde los picos principales del parámetro CD son aproximadamente 0,85 y 0,91 en las dos frecuencias de resonancia, respectivamente; lo cual es mucho mayor que las nanoestructuras quirales reportadas [17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32, 37,38,39,40,41,42]. El efecto CD gigante es causado por la fuerte quiralidad del CMSA, y por tanto puede aplicarse como polarizador circular transparente. Para investigar más la pureza CP del CMSA aplicado como polarizador circular, se dan el ángulo de elipticidad η y ángulo de rotación del azimut de polarización θ como se muestra en Fig. 3b. Se encuentra que el valor de η es aproximadamente 40,4° y −43,9°, mientras que el valor de θ es aproximadamente 0° en las frecuencias inferior y superior, respectivamente. Esto significa que las luces transmitidas exhiben características prominentes de RCP y LCP después de pasar a través de la lámina CMSA en las dos frecuencias de resonancia. Debe notarse que este polarizador circular basado en CMSA con mayor pureza CP es válido para cualquier luz de polarización arbitraria debido a su alta simetría C₄ de la celda unitaria. Así, el polarizador circular homogéneo podría realizarse razonablemente con nuestra nanoestructura quiral diseñada.

Para comprender plenamente la absorción selectiva y el efecto CD gigante del CMSA, recuperamos el índice de refracción Re(n), Re(n₋), Re(n₊) y parámetro quiral Re(κ) usando un procedimiento de recuperación estándar a partir de los coeficientes de transmisión y reflexión de luces CP [43, 44], como se muestra en Fig. 4a, b. Está claro que emergen dos resonancias relacionadas con la fuerte quiralidad en el CMSA diseñado. La resonancia de frecuencia inferior ocurre alrededor de 288,5 THz mientras que la superior se ubica en 404 THz, consistentes con las frecuencias características de absorción selectiva y picos CD. Como se muestra en Fig. 4a, el Re(n) es negativo con magnitudes máximas de −2,3 y −1,1, y el Re(κ) alcanza magnitudes máximas de 6,4 y −5,1 alrededor de las dos frecuencias de resonancia anteriores. Está claro que el parámetro quiral κ también contribuye a la refracción negativa de luces RCP y LCP. La fuerte quiralidad puede empujar fácilmente el índice de refracción de la luz RCP/LCP a volverse negativo en resonancias debido a la relación n_± = n ± κ. Así, como se muestra en Fig. 4b, el Re(n₋) para luz LCP y Re(n₊) para luz RCP es negativo de 286,2 THz a 291 THz, y 400,2 THz a 404 THz, respectivamente. Además, el Re(n₋) y Re(n₊) alcanzan valores negativos máximos de −8,6 y −6,3 en las dos resonancias anteriores, respectivamente. Revela que la alta absorción selectiva y el efecto CD gigante del CMSA propuesto están asociados con la propiedad de refracción negativa de las luces LCP y RCP.

Para desvelar aún más el origen de la absorción selectiva asociada con el efecto CD gigante del CMSA propuesto, se han estudiado las distribuciones de campo eléctrico (E_z) de la celda unitaria impulsada por luces RCP y LCP en 288,5 THz y 404 THz. Se sabe que la excitación de resonancia de plasmones de superficie producirá campos dipolares oscilantes ya que la nanoestructura de semicírculo exhibe diámetros pequeños comparados con la longitud de onda incidente de las diferentes luces CP [45,46,47,48]. Cuando luz RCP o LCP ilumina la nanoestructura de semicírculo, se puede creer razonablemente que la absorción selectiva y el efecto CD gigante emergerán en el CMSA propuesto y consecuentemente resultarán en diferente distribución de componentes de campos eléctrico y magnético en cada capa [48,49,50,51,52,53].

La Figura 5 muestra las distribuciones de campo eléctrico (E_z) del CMSA propuesto impulsado por luces RCP y LCP en diferentes frecuencias de resonancia. Los gráficos detallados de las distribuciones de campo eléctrico (E_z) en las nanoestructuras de semicírculo muestran claramente la naturaleza de cada modo plasmónico de superficie [54]. Las regiones roja y azul en la nanoestructura de semicírculo de las capas superior e inferior presentan las acumulaciones de cargas positivas y negativas bajo excitación de luces RCP y LCP. Las cargas positivas y negativas se separan y acumulan principalmente en las esquinas de cada nanoestructura de semicírculo, actuando como una oscilación de dipolo eléctrico. Se observa que la potencia de dipolo eléctrico es mucho más fuerte que la magnética en la nanoestructura de semicírculo diseñada, revelando la predominancia de oscilaciones de dipolo eléctrico. La absorción selectiva y el efecto CD gigante generados en resonancias se deben a la obvia diferencia de potencia dipolar bajo excitación LCP y RCP. Aquí se ha aplicado un método simplificado con momentos dipolares eléctricos equivalentes, que considera las vibraciones de carga de cuatro nanoestructuras de semicírculo en cada capa como una vibración dipolar [48,49,50]. Según la teoría de Born-Kuhn [47, 48], el modo hibridizado a partir de dos dipolos con la misma dirección de campo eléctrico se denomina modo de enlace, mientras que el otro hibridizado a partir de dos dipolos con dirección de 90° o cruzada se denota como modo antienlace. Como se muestra en Fig. 5a1, b1, bajo iluminación de luz RCP en frecuencia de resonancia f₁ = 288,5 THz, los campos dipolares eléctricos en capas superior e inferior muestran direcciones cruzadas y forman un modo antienlace, resultando consecuentemente en alta transmisión de luz RCP según el modelo de Born-Kuhn. Como se muestra en Fig. 5c1, d1, bajo iluminación de luz LCP, se ve que la distribución de campo eléctrico del CMSA puede considerarse una hibridación del modo de enlace entre capas superior e inferior, compuesto por dos momentos dipolares eléctricos equivalentes con la misma dirección, resultando en alto nivel de absorción de luz LCP. Así, los modos de enlace y antienlace causan diferente energía de resonancia y diferente transmisión y absorción de nanoestructuras quirales en la frecuencia inferior bajo iluminación de luces LCP y RCP (ver Fig. 2). Como se muestra en Fig. 5a2, b2, c2, d2, bajo iluminación de luces RCP y LCP en frecuencia de resonancia f₂ = 404 THz, los campos dipolares eléctricos en capas superior e inferior muestran las mismas direcciones (modo de enlace) y direcciones cruzadas (modo antienlace) respectivamente, resultando consecuentemente en alto nivel de absorción para luz RCP y alta transmisión para luz LCP. Por tanto, se ve que la absorción selectiva y efecto CD en dos frecuencias diferentes se atribuyen principalmente a los modos de enlace y antienlace, inducidos por acoplamiento híbrido de los momentos dipolares eléctricos de capas superior e inferior.

A continuación, investigamos las influencias de los parámetros geométricos de la celda unitaria en las propiedades de absorción del CMSA propuesto. La Figura 6 muestra los espectros de absorbancia simulados para luces LCP y RCP, y frecuencias de resonancia (f₋, f₊) con diferentes parámetros geométricos (r, w, t_m, y t_s) de la celda unitaria. Para la nanoestructura diseñada, se observaron algunas variaciones espectrales interesantes de la propiedad de absorción selectiva dependiente de parámetros, que es obviamente multifacética y compleja. En este estudio, los parámetros geométricos del grupo control son r = 70 nm, w = 40 nm, t_m = 30 nm, y t_s = 120 nm, cambiando un parámetro a la vez.

Primero se calcularon nanoestructuras de semicírculo con diferentes r (r = 65 nm, 70 nm, 75 nm, y 80 nm), manteniendo los otros parámetros fijos como se muestra en Fig. 6a1, a2. Al aumentar r, las frecuencias de resonancia f₋ para LCP y f₊ para luces RCP disminuyen gradualmente, interpretable por la teoría de circuito de resonancia LC equivalente [55, 56]. Las frecuencias de resonancia (f₋, f₊) para iluminación tanto LCP como RCP se expresan como \(f_{ \mp } = \frac{1}{{2\pi \sqrt {LC} }}\), donde la capacitancia equivalente C e inductancia L están determinadas principalmente por los parámetros geométricos del CMSA propuesto. La L aumentará con el aumento de r, resultando en la disminución de las frecuencias de resonancia (f₋, f₊). Además, como se muestra en Fig. 6a1, al aumentar r, la absorbancia de luz LCP disminuye gradualmente mientras que la de luz RCP permanece casi inalterada. La Figura 6b1, b2 muestra los espectros de absorbancia de luces LCP y RCP al cambiar w de 30 a 45 nm en pasos de 5 nm, manteniendo los otros parámetros inalterados. Se ve que las frecuencias de resonancia (f₋, f₊) para ambas luces LCP y RCP aumentan gradualmente con el aumento de w. Obviamente, el aumento de frecuencias de resonancia se debe principalmente a la disminución de C. La absorbancia de luz LCP primero aumenta y luego disminuye ligeramente, mientras que la de luz RCP disminuye gradualmente al aumentar w, como se muestra en Fig. 6b2. Como se muestra en Fig. 6c1, c2, presentamos los espectros de absorbancia y frecuencias de resonancia (f₋, f₊) de luces LCP y RCP variando t_m de 20 a 50 nm en pasos de 10 nm con otros parámetros fijos. Hay casos similares al cambio de w, al aumentar t_m, la frecuencia de resonancia (f₋) para luz LCP aumenta significativamente, y la de luz RCP aumenta ligeramente. En este caso, la L disminuirá con el aumento de t_m, resultando en el aumento de frecuencias de resonancia (f₋, f₊). Además, la absorbancia de ambas luces LCP y RCP primero aumenta y luego disminuye al aumentar t_m, como se muestra en Fig. 6c2. Finalmente, ilustramos los espectros de absorbancia y frecuencias de resonancia (f₋, f₊) para ambas luces LCP y RCP con diferentes t_s (t_s = 110 nm, 120 nm, 130 nm, y 140 nm), manteniendo otros parámetros inalterados, como se muestra en Fig. 6d1, d2. Se observa que al aumentar t_s, la absorbancia de LCP aumenta gradualmente, mientras que la de luz RCP disminuye ligeramente, como se muestra en Fig. 6d1. Además, las frecuencias de resonancia (f₋, f₊) para ambas luces LCP y RCP disminuyen gradualmente al aumentar t_s, como se muestra en Fig. 6d2. En este caso, la C aumentará al aumentar t_s, resultando en la disminución de frecuencias de resonancia (f₋, f₊). Se puede concluir que las frecuencias de resonancia (f₋, f₊) y nivel de absorción para luces RCP y LCP son sensibles a los parámetros geométricos de la celda unitaria de la nanoestructura quiral diseñada. Así, las propiedades de absorción selectiva del CMSA propuesto pueden ajustarse dinámicamente variando parámetros estructurales.

Conclusión

En conclusión, se ha propuesto un CMSA basado en nanoestructura de semicírculo torcido cuádruple en bicapa para lograr absorción quiral-selectiva casi perfecta para luces RCP y LCP, así como efecto CD gigante en regiones de infrarrojo cercano y visible. Los resultados de simulación exhiben que la absorbancia quiral-selectiva para luces RCP y LCP son superiores al 90%, y la magnitud de CD podría alcanzar 0,91. Según los parámetros EM efectivos recuperados, se encuentra que la absorción de frecuencia inferior y efecto CD están asociados con las propiedades de refracción negativa de la luz LCP, mientras que el caso de frecuencia superior concierne a la luz RCP. Las distribuciones de campo eléctrico indican que las propiedades de absorción quiral-selectiva y efecto CD gigante del CMSA se originan principalmente en los modos de enlace y antienlace inducidos por acoplamiento híbrido de momentos dipolares eléctricos de capas superior e inferior. Además, las frecuencias de resonancia y nivel de absorción quiral-selectiva del CMSA pueden sintonizarse cambiando los parámetros geométricos de la celda unitaria. Por tanto, se puede concluir razonablemente que el diseño del CMSA es prometedor para futuras aplicaciones en filtro óptico, imagen quiral, polarizador circular, detección y comunicaciones ópticas.

Sección de Método Numérico

Simulaciones FEM: Simulaciones EM de onda completa se han realizado basadas en el método de elementos finitos (FEM). En simulación, las propiedades eléctricas del oro se describen mediante el modelo de Drude como [36]:

$$\varepsilon_{{{\text{Au}}}} = {1} - \omega_{p}^{{2}} /\omega \left( {\omega + i\gamma } \right)$$ (1)

donde ω_p = 1,37 × 10¹⁶ rad/s es la frecuencia de plasma y γ = 8,04 × 10¹³ rad/s es la frecuencia de colisión del oro en rango de frecuencia óptica. En simulación, se aplicó condición de frontera de celda unitaria en direcciones x- e y-y se usaron directamente las dos luces eigen CP. Luces CP de banda ancha se emplean como fuentes de excitación y atraviesan normalmente la celda unitaria de la nanoestructura quiral diseñada desde dirección −z a +z. Luego, se obtienen coeficientes de reflexión y transmisión de luces LCP y RCP. Generalmente, la absorbancia denotada como A₋(ω)/A₊(ω) para luces LCP/RCP se expresa como [17, 32]: A₋(ω) = 1 − R₋₋(ω) − T₋₋(ω) = 1 − |r₋₋(ω)|² − |t₋₋(ω)|², A₊(ω) = 1 − R₊₊(ω) − T₊₊(ω) = 1 − |r₊₊(ω)|² − |t₊₊(ω)|², respectivamente. Los coeficientes de transmisión de co-polarización t₋₋(ω) son para LCP y t₊₊(ω) para luces RCP, mientras r₋₋(ω) y r₊₊(ω) son coeficientes de reflexión de co-polarización, respectivamente. Debe notarse que los coeficientes de transmisión de polarización cruzada (t₊₋(ω), t₋₊(ω)) y reflexión (r₊₋(ω), r₋₊(ω)) para luces LCP y RCP son lo suficientemente pequeños para ser despreciados (< 0,01) debido a la alta simetría C₄ de la celda unitaria de la nanoestructura quiral diseñada. Además, el efecto CD es inducido por la absorción selectiva de dos luces CP, que se expresa como: △ =|t₊₊(ω)| − |t₋₋(ω)| [14, 29]. La elipticidad y actividad óptica son parámetros importantes para evaluar la quiralidad de la nanoestructura quiral diseñada. La elipticidad caracteriza el estado de polarización de luces transmitidas de la nanoestructura quiral, descrita por ángulo de elipticidad η = arctan[(|t₊₊(ω)| − |t₋₋(ω)|) / (|t₊₊(ω)| +|t₋₋(ω)|)]. Mientras la actividad óptica representa la propiedad de rotación del plano de polarización de una luz de polarización lineal transmitida respecto a la incidente, descrita por ángulo de rotación del azimut de polarización θ = [arg(t₊₊(ω)) − arg(t₋₋(ω))]/2.

Disponibilidad de datos y materiales

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente bajo solicitud razonable.

Abreviaturas

CMS:

Metasuperficie quiral

CMSA:

Absorbedor quiral de metasuperficie

RCP:

Polarización circular derecha

LCP:

Polarización circular izquierda

CD:

Dicromatismo circular

EM:

Electromagnético

CP:

Polarización circular