O controle de frente de onda acromática de banda larga é um requisito fundamental para tecnologias ópticas de próxima geração, incluindo imagens coloridas e detecção multiespectral. Pesquisadores liderados pelo professor Yijun Feng e pelo professor Ke Chen, da Universidade de Nanjing, relataram agora um grande avanço neste campo. Fótonix. Seu trabalho introduz uma abordagem de engenharia de dispersão cooperativa de fase híbrida que combina as fases geométricas Aharanov-Anandan (AA) e Pancharatnam-Berry (PB) em uma metassuperfície de camada única. Esta combinação torna possível obter um controle acromático distinto da luz com dois estados de rotação diferentes.
A dispersão é uma propriedade fundamental das ondas eletromagnéticas. Embora isso permita efeitos eficazes dependentes do comprimento de onda, causa distorções de cores que se tornam mais graves à medida que a largura de banda aumenta. Esses efeitos podem alterar o ângulo de direção, mover pontos focais e reduzir a precisão espacial. Metasuperfícies, que são estruturas planas feitas de arranjos cuidadosamente projetados de metaátomos de comprimento de onda inferior, fornecem uma maneira poderosa de moldar a luz. No entanto, a maioria dos projetos de metassuperfícies acromáticas existentes são limitados a um único canal de rotação na prática. Em outros casos, ambos os canais de spin são endereçados, mas forçados a compartilhar o mesmo comportamento de dispersão. Como resultado, o controle completamente independente do atraso de fase e de grupo para ambos os spins dentro de um dispositivo compacto permanece difícil, embora seja essencial para sistemas ópticos multicanais e multiplexados.
Combine fases geométricas para desbloquear o controle de giro duplo
Para superar este desafio ao nível dos metaátomos individuais, os investigadores desenvolveram uma estrutura de fase híbrida na qual cada fase geométrica desempenha um papel distinto. Neste projeto, a fase AA permite o que a equipe chama de “desbloqueio de rotação”, enquanto a fase PB fornece “extensão de fase”. Ondas polarizadas circularmente para destros e canhotos (RCP e LCP) são refletidas em caminhos diferentes devido à distribuição assimétrica de corrente dentro de cada metaátomo. Esta separação permite-lhes controlar as suas propriedades de fase e dispersão de forma independente.
A equipe então ajustou a energia de ressonância do metaátomo para ajustar independentemente o atraso do grupo para cada giro. Ao mesmo tempo, o ajuste de frequência e a rotação estrutural local foram usados para definir a fase, mantendo baixa a diafonia indesejada. A fase PB, adicionada via rotação global, estende a faixa de fase disponível em 2π completo sem alterar significativamente o projeto de atraso do grupo. Juntos, esses elementos formam uma técnica prática de design de camada única para controle acromático de rotação dupla.
Evidência experimental em múltiplas bandas de frequência
Os pesquisadores demonstraram experimentalmente sua abordagem usando dois tipos de dispositivos na faixa de 8 a 12 GHz. Uma classe consiste em defletores de feixe acromáticos desbloqueados por rotação que mantêm uma direção estável e dependente da rotação em toda a banda. Estão envolvidas outras metalicidades acromáticas que atribuem diferentes funções de foco à luz RCP e LCP, preservando ao mesmo tempo um forte desempenho em uma ampla faixa de frequência.
Além disso, a equipe apresentou projetos que aplicam os mesmos princípios na faixa de 0,8-1,2 THz terahertz. Isto mostra que o método não está limitado a uma parte do espectro eletromagnético, mas representa uma estrutura de engenharia de dispersão amplamente aplicável.
Rumo a um sistema meta-óptico mais versátil
Este trabalho leva as metassuperfícies acromáticas além da retificação de canal único e para o reino da metaóptica de spin duplo totalmente independente. Ao tratar os dois estados de spin como graus de liberdade verdadeiramente separados, a abordagem permite sistemas ópticos compactos com múltiplas funções integradas em um único dispositivo. Olhando para o futuro, a estratégia de design de fase híbrida pode ser estendida à faixa visível para imagens multiplexadas por polarização e óptica integrada de banda larga. Os pesquisadores também observaram que métodos de design reverso, incluindo algoritmos genéticos e aprendizado profundo, poderiam acelerar a otimização de dispositivos e ajudar a implantar sistemas do mundo real.
