"Optical negative refraction by four-wave mixing in thin metallic nanostructures". S. Palomba, S. Zhang, Y. Park, G. Bartal, X. Yin, X. Zhang. Nature Materials. In Press. doi: 10.1038/nmat3148
The law of refraction first derived by Snellius and later introduced as the Huygens–Fermat principle,
states that the incidence and refracted angles of a light wave at the
interface of two different materials are related to the ratio of the
refractive indices in each medium. Whereas all natural materials have a
positive refractive index and therefore exhibit refraction in the
positive direction, artificially engineered negative index metamaterials
have been shown capable of bending light waves negatively.
Such a negative refractive index is the key to achieving a perfect lens
that is capable of imaging well below the diffraction limit.
However, negative index metamaterials are typically lossy, narrow band,
and require complicated fabrication processes. Recently, an alternative
approach to obtain negative refraction from a very thin nonlinear film
has been proposed and experimentally demonstrated in the microwave region.
However, such approaches use phase conjugation, which makes optical
implementations difficult. Here, we report a simple but different scheme
to demonstrate experimentally nonlinear negative refraction at optical
frequencies using four-wave mixing in nanostructured metal films. The
refractive index can be designed at will by simply tuning the
wavelengths of the interacting waves, which could have potential impact
on many important applications, such as superlens imaging.
La ley de refracción, derivada por vez primera por Snellius y presentada posteriormente como el principio de Huygens-Fermat, establece que los ángulos de incidencia y de refracción de una onda luminosa en la interface de dos materiales distintos están relacionados con el cociente de los índices de refracción de cada medio. En contraste con todos los materiales naturales, que poseen un índice de refracción positivo y en consecuencia exhiben refracción en dirección positiva, con los metamateriales de índice negativo diseñados artificialmente se ha logrado desviar las ondas luminosas en dirección negativa. Tal índice de refracción negativo es la clave para la elaboración de lentes perfectos, capaces de formar imágenes por debajo del límite de difracción. Sin embargo, los metamateriales de índice negativo normalmente presentan pérdidas, son de banda estrecha, y requieren complicados procesos de fabricación. Recientemente se ha propuesto y se ha demostrado experimentalmente una manera alternativa de obtener refracción negativa en la región de microondas a partir de una película no lineal muy delgada, pero esta manera alternativa emplea conjugación de fase, lo cual dificulta su implementación óptica. Aquí reportamos un esquema sencillo pero diferente para demostrar experimentalmente la refracción negativa no lineal a frecuencias ópticas usando mezclado de cuatro ondas en películas metálicas nanoestructuradas. El índice de refracción puede ser diseñado a voluntad modificando simplemente las longitudes de onda de las ondas que interactúan, lo cual puede tener un impacto potencial en muchas aplicaciones importantes, tales como la formación de imágenes por superlentes.
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