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Artifi cial nanomaterials may exhibit a topology far off the

thermodynamic equilibrium, which is their primary difference to

natural materials. This has been impressively demonstrated by

optical metamaterials which consist of nanoscale structures. By

deliberately breaking their spatial symmetries new effects occur,

such as a directional asymmetry in the optical transmission |1|.

Likewise, natural effects are extraordinarily enhanced, such as

the manipulation of the polarization state of light, commonly

referred to as optical activity. In this context we investigated an

optical metamaterial (Fig. 1) composed of three-dimensional,

chiral unit cells |2|. Exemplarily we measured all entries of its

broadband complex Jones matrix, obtaining a complete data set

that comprises all transmission properties of the metamaterial

for visible and near-infrared light (Fig. 2). Amongst them, a

peak polarization azimuth rotation of linearly polarized light

exceeding 50° was found for a wavelength of 1.08 μm. Normal-

izing this record-breaking value, based on entirely experimental

means, to the light propagation path, it exceeds comparable

Künstliche Nanomaterialien können räumliche Strukturformen

fernab vom thermodynamischen Gleichgewichtszustand auf-

weisen, was sie maßgeblich von natürlich vorkommenden Mate-

rialien unterscheidet. Dies wurde eindrucksvoll an optischen

Metamaterialien gezeigt, welche aus nanoskaligen Strukturen

bestehen. Durch den gezielten Bruch ihrer räumlichen Sym-

metrien treten völlig neue Effekte auf, wie beispielsweise eine

richtungsabhängige Asymmetrie der optischen Transmission |1|.

Ebenso können natürliche Effekte außergewöhnlich verstärkt

werden. Ein Beispiel ist optische Aktivität, also die Beeinfl ussung

des Polarisationszustand des Lichts. Wir untersuchten hierzu ein

optisches Metamaterial (Abb. 1) bestehend aus drei-dimensio-

nalen, chiralen Einheitszellen |2|. Daran wurden alle Kompo-

nenten der komplexen Jones-Matrix optisch gemessen, woraus

ein kompletter experimenteller Datensatz bezüglich aller mit

der Transmission korrelierten Eigenschaften des Meta materials

für sichtbares und nah-infrarotes Licht hervorgeht (Abb. 2).

3-DIMENSIONALES CHIRALES METAMATERIAL MIT SEHR HOHER OPTISCHER AKTIVITÄT

THREE-DIMENSIONAL CHIRAL METAMATERIAL WITH GIANT OPTICAL ACTIVITY

1

1 Herstellungsprozess eines optisch aktiven, plasmonischen, chiralen Nanomaterials sowie eine entsprechende eingefärbte

Rasterelektronenmikroskopaufnahme während der Herstellung. | Fabrication procedure of the optically active plasmonic chiral nano-

material and a false-colored scanning electron microscope image at an intermediate fabrication step. Adapted with permission from |2|.

Copyright 2011 American Chemical Society.

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ENERGIE UND UMWELT

ENERGY AND ENVIRONMENT

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INFORMATION UND S ICHERHEIT

INFORMATION AND SAFETY

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GRUNDLAGEN

BASIC RESEARCH

113

criteria of any known passive and reciprocal optical media

by orders of magnitude. This proof constitutes a substantial

advancement in the current state of optical metamaterials.

Our applied methods open the way to the complex far fi eld

characterization of a very general class of dispersive media and

will have important implications for their design, realization and

experimental evaluation. Moreover the reported concepts and

methods can be straightforwardly applied to the realization of

miniaturized optical systems based on optically active media.

Unter anderem konnte ein Spitzenwert bezüglich der Drehung

eines linearen Polarisationszustands von über 50° bei einer

Wellenlänge von 1,08 μm nachgewiesen werden. Normiert

auf den Lichtausbreitungsweg übertrifft dieser Rekordwert, der

ausschließlich auf experimentellen Daten beruht, alle bisher

bekannten passiven und reziproken optischen Medien um

Größenordnungen.

Dieser Nachweis stellt einen substantiellen Fortschritt bezüglich

des aktuellen Forschungsstandes optischer Metamaterialien dar.

Die gezeigte Methodik ermöglicht die Charakterisierung des

komplexen Fernfelds einer sehr allgemeinen Klasse dispersiver

Medien und wird wichtige Auswirkungen für deren Design,

Herstellung und experimentelle Untersuchung haben. Darüber

hinaus können die erarbeiteten Konzepte direkt auf die Realisie-

rung miniaturisierter optischer Systeme auf der Basis von optisch

aktiven Medien angewandt werden.

Literatur/References

|1| Menzel, C.; Helgert, C.; Rockstuhl, C.; Kley, E.-B.;

Tünnermann, A., Pertsch, T.; Lederer, F.: Asymmetric

transmission of linearly polarized light at optical

metamaterials, Phys. Rev. Lett. 104, 253902 (2010).

|2| Helgert, C.; Pshenay-Severin, E.; Falkner, M.;

Menzel, C.; Rockstuhl, C.; Kley, E.-B.; Tünnermann, A.;

Lederer, F.; Pertsch, T. : Chiral metamaterial composed

of three-dimensional plasmonic nanostructures,

Nano Lett. 11, 4400–4404 (2011).

AUTHORSChristian Helgert 1

Ekaterina Pshenay-Severin 1

Matthias Falkner 1

Christoph Menzel 2

Carsten Rockstuhl 2

Falk Lederer 2

Ernst-Bernhard Kley 1

Andreas Tünnermann 1, 3

Thomas Pertsch 1

1 Institut für Angewandte Physik,

Friedrich-Schiller-Universität Jena

2 Institut für Festkörpertheorie u. -optik,

Friedrich-Schiller-Universität Jena

3 Fraunhofer IOF

CONTACTProf. Dr. Thomas Pertsch

Phone +49 3641 947-840

thomas.pertsch@uni-jena.de

2

2 Das optisch aktive Nanomaterial wandelt linear polarisiertes einfallendes

Licht in Abhängigkeit von der Wellenlänge in elliptisch polarisiertes

Licht um. | The optically active nanomaterial converts a linearly polarized input

spectrum into wavelength dependent elliptical polarization states.

Reprinted with permission from |2|. Copyright 2011 American Chemical Society.