Os pesquisadores desenvolveram um novo dispositivo óptico que pode produzir duas luzes diferentes em forma de vórtice, uma elétrica e outra magnética. Esses padrões de luz estruturados, conhecidos como skyramions, são excepcionalmente estáveis e permanecem intactos mesmo quando expostos a interferências. Esta flexibilidade os torna candidatos atraentes para codificação de informações em futuros sistemas de comunicação sem fio.
“Nosso dispositivo não apenas gera vários padrões de vórtice em pulsos de terahertz de propagação no espaço livre, mas também pode ser usado para alternar entre os dois modos sob demanda usando a mesma plataforma integrada”, disse o autor correspondente Xueqian Zhang, da Universidade de Tianjin. “Tal controlabilidade é essencial para aplicações práticas, onde a seleção confiável e a reprodutibilidade de uma expressão desejada são cruciais para a codificação prática da informação.”
Relatório de trabalho em equipe ópticoRevista do Optica Publishing Group para pesquisas de alto impacto. No estudo, Zhang e seus colegas descrevem como usaram uma metassuperfície não linear para alcançar a primeira demonstração experimental de skyrmions que podem ser alternados ativamente entre configurações elétricas e magnéticas dentro de pulsos de luz toroidais de terahertz. Metasuperfícies são materiais extremamente finos projetados em nanoescala, o que lhes permite conduzir luz de uma forma que os materiais ópticos convencionais não conseguem.
“Nossos resultados levam ao conceito de skyramions de espaço livre comutáveis como uma ferramenta controlável para codificação robusta de informações”, disse o co-autor Yi Shen, da Universidade Tecnológica de Nanyang. “Este trabalho poderia inspirar abordagens mais resilientes para comunicações sem fio terahertz e processamento de dados baseado em luz. Esse controle também poderia permitir circuitos baseados em luz que geram, alternam e roteiam diferentes estados de sinal de forma controlada.”
Estruturas de luz terahertz programáveis
As ondas Terahertz estão atraindo cada vez mais interesse pelas tecnologias de comunicação e detecção de próxima geração. A pesquisa faz parte de um esforço maior para desenvolver fontes de luz terahertz que façam mais do que emitir pulsos, com ênfase na modelagem desses pulsos para uso prático.
Uma estrutura particularmente promissora é o vórtice toroidal de luz, que forma um anel no qual o campo eletromagnético retorna a uma forma estável, semelhante a uma rosquinha. Esses vórtices oferecem formas adicionais de codificar informações, mas a maioria dos sistemas existentes só pode gerar um único tipo de padrão e normalmente não tem a capacidade de alternar entre modos.
Para resolver esta limitação, os pesquisadores projetaram um dispositivo integrado capaz de alternar entre padrões de vórtices toroidais elétricos e magnéticos em pulsos de terahertz no espaço livre. O método depende de uma metassuperfície não linear especialmente projetada, feita de nanoestruturas metálicas dispostas com precisão.
Quando pulsos de laser de femtosegundo no infravermelho próximo com diferentes padrões de polarização atingem a metassuperfície, o dispositivo gera pulsos toroidais terahertz distintos. Dependendo da polarização, o vórtice resultante carrega uma textura skyrmion de modo elétrico ou magnético. O mecanismo funciona como selecionar teclas diferentes para resultados diferentes, um padrão de luz ativa o modo elétrico e o outro ativa o modo magnético.
“A principal inovação está na metassuperfície não linear que converte pulsos de laser de femtossegundos no infravermelho próximo em pulsos de luz toroidais de terahertz úteis”, disse o primeiro autor Li Niu, da Universidade de Tianjin, que conduziu os experimentos.
“Ao empregar elementos ópticos comuns, como placas de onda e retardadores de vórtice para controlar o padrão de polarização do laser de entrada, fomos capazes de criar um dispositivo compacto que pode alternar ativamente entre dois estados de luz topológicos distintos”, acrescentou o líder do projeto, Jiaguang Han, da Universidade de Tianjin.
Medindo e verificando a comutação do Skyramion
Para testar o funcionamento do sistema, a equipe construiu uma configuração de medição ultrarrápida de terahertz que lhes permitiu observar pulsos de luz enquanto ela viajava pelo espaço. Em vez de confiar em uma única medição, eles examinaram o pulso em vários locais e pontos no tempo para reconstruir como o campo eletromagnético evoluiu.
Estas medições revelam as características definidoras dos pulsos de luz toroidais e distinguem claramente entre os dois modos skyrmion. Os pesquisadores também usaram medidas de fidelidade para avaliar o desempenho, garantindo um comportamento de comutação confiável com alta pureza de cada modo.
Olhando para o futuro, a equipe planeja refinar a tecnologia para aplicações centradas em comunicações. O trabalho futuro centrar-se-á na melhoria da estabilidade, repetibilidade e eficiência a longo prazo, bem como em tornar o sistema mais pequeno e mais robusto. Eles pretendem estender a abordagem além dos dois modos, adicionando estados controláveis adicionais, o que permitirá uma codificação de informações mais complexa e flexível.
