Eine in der Zeitschrift „Advanced Photonics Nexus“ veröffentlichte Studie stellt eine neue Methode vor, um durch die Kombination von dielektrischen Mehrschichtstrukturen mit strukturierten Metalloberflächen verdrillte Lichtstrahlen im freien Raum zu erzeugen. Diese Technologie könnte helfen, die Herausforderungen der Strahlformung bei kleinen Lichtquellen zu überwinden und neue Wege für integrierte photonische Anwendungen eröffnen.

Der von Licht getragene Drehimpuls kann in zwei Formen unterteilt werden: polarisationsabhängig und bahnabhängig. Der Bahndrehimpuls ermöglicht es dem Licht, sich wie ein Korkenzieher zu verdrillen, was Potenzial für Informationskodierung, Materie-Licht-Wechselwirkung und Systemdetektion bietet. Die Erzeugung von klar definiertem, verdrilltem Licht aus nanoskopischen Lichtquellen stellt jedoch eine anhaltende technische Herausforderung dar.

Das Forschungsteam nutzte Bloch-Oberflächenwellen als Vermittler. Diese elektromagnetischen Wellen breiten sich entlang eines Mehrschichtstapels aus Tantalpentoxid und Siliziumdioxid mit geringen Verlusten aus. Auf der Oberseite des Stapels wurden chirale Metasurfaces hergestellt, die aus Gold-Nanostäbchen bestehen, die in einem spiralförmigen Muster angeordnet sind. Die durch die Rotation der Nanostäbchen eingebrachte Chiralität steuert die Lichtstreuung.

Der Prozess erfolgt in drei Schritten: Ein zirkular polarisierter Ringlaserstrahl koppelt ein und regt die Bloch-Oberflächenwellen an; diese Oberflächenwellen breiten sich radial aus und tragen eine strukturierte Phase; wenn die Welle die chirale Metasurface erreicht, wird sie nach oben in den freien Raum gebeugt und bildet einen Strahl mit kontrollierter Polarisation und Bahndrehimpuls. Das Design der Metasurface zeigt eine starke Polarisationsselektivität, Experimente belegen, dass etwa 80 % des emittierten Lichts die gewünschte zirkulare Polarisation tragen.

Der leitende Autor Emiliano Descrovi erklärt: „Unser Ziel ist es, eine Brücke zwischen winzigen Lichtquellen und der Welt des strukturierten Lichts zu schlagen. Indem wir Licht mit Bloch-Oberflächenwellen führen, können wir es mit hoher Präzision formen und gleichzeitig die hohen Verluste metallischer Systeme vermeiden.“ Das Team validierte das Konzept durch numerische Simulationen und Experimente, wobei die Messergebnisse mit den Vorhersagen übereinstimmten und bestätigten, dass der Effekt auf der Vermittlung durch Oberflächenwellen beruht.

Diese auf dielektrischen Materialien basierende Methode umgeht die Effizienzbeschränkungen plasmonischer Strukturen und eignet sich für die Integration mit nanoskopischen Lichtquellen, möglicherweise bis hin zur Einzelphotonen-Ebene. Sie könnte helfen, die langjährige Herausforderung der Verbindung mikroskopischer Emitter mit makroskopischen Strahlen in kompakten Systemen zu lösen und die Anwendung chiraler Metasurfaces in der Photonik voranzutreiben.

Veröffentlichungsdetails: Autoren: SPIE; Titel: „Chiral metasurfaces guide twisted light into free space“; veröffentlicht in: „Advanced Photonics Nexus“ (2026).