Criar dispositivos extremamente pequenos que possam direcionar e controlar a luz com precisão é um desafio importante para muitas tecnologias emergentes. Cientistas do Centro de Pesquisa Científica Avançada do CUNY Graduate Center (CUNY ASRC) fizeram agora um avanço importante ao criar uma metassuperfície que pode converter luz infravermelha invisível em luz visível e apontá-la em uma direção específica sem depender de quaisquer partes móveis. Suas descobertas são descritas em um novo estudo publicado na revista Elite.
A nova metassuperfície assume a forma de um chip ultrafino coberto por pequenas estruturas menores que o comprimento de onda da luz. Quando um laser infravermelho atinge a superfície, o chip muda a luz para uma cor (ou frequência) mais alta e a emite como um feixe bem focado. A direção desse feixe pode ser ajustada alterando a polarização da luz que entra.
Em experimentos de laboratório, os pesquisadores converteram a luz infravermelha com comprimento de onda de cerca de 1.530 nanômetros, usada em sistemas de comunicação de fibra óptica, em luz verde visível em torno de 510 nanômetros. Eles foram capazes de guiar o feixe de saída em ângulos selecionados com alta precisão.
“Pense nele como um holofote microscópico plano que não apenas muda a cor da luz, mas direciona o feixe para onde você deseja, tudo em um único chip”, disse Andrea Alu, diretora fundadora da CUNY ASRC Photonics Initiative e CUNY Graduate Center Distinguished Professor. “Ao fazer com que diferentes partes da superfície trabalhem juntas, obtemos uma conversão de luz muito eficiente e um controle preciso sobre para onde essa luz vai.”
Resolvendo um desafio perene de engenharia
Metasuperfícies que usam estruturas planas em nanoescala têm sido usadas há muito tempo por engenheiros para dobrar, focar e moldar a luz. No entanto, estes sistemas geralmente enfrentam uma difícil compensação.
Alguns designs oferecem um controle preciso ajustando a luz para cada ponto individual da superfície, mas não são muito eficientes na amplificação do sinal de luz. Outros projetos permitem que as ondas de luz interajam em toda a superfície, o que pode aumentar significativamente o desempenho, mas essa abordagem muitas vezes sacrifica o controle detalhado sobre a forma e a direção do feixe.
Um novo dispositivo desenvolvido na CUNY supera essa limitação para criar a primeira luz não linear, processo no qual uma cor de luz é convertida em outra cor. O chip usa uma ressonância coletiva conhecida como estado semiconfinado em continuidade para bloquear e intensificar a luz infravermelha que chega em toda a superfície. Ao mesmo tempo, cada pequeno elemento estrutural é girado em um padrão cuidadosamente projetado, permitindo que a luz que sai atinja uma fase dependente da posição, semelhante ao efeito de uma lente ou prisma.
Direção eficiente do feixe sem peças móveis
Graças a este design, a metassuperfície gera luz de terceiro harmônico, o que significa que a luz que sai tem três vezes a frequência do feixe de entrada e direciona essa luz em uma direção específica. Alterar a polarização do feixe de entrada inverte a direção da direção, proporcionando uma maneira simples e eficaz de controlar para onde a luz vai.
Como resultado, o sinal de terceira harmónica produzido pelo chip é cerca de 100 vezes mais eficiente do que aquele alcançado por dispositivos de formação de feixe semelhantes sem estas ressonâncias colectivas.
Rumo a fontes de luz compactas e óptica integrada
Ser capaz de gerar e direcionar com eficiência nova luz colorida em um chip plano abre as portas para muitas aplicações práticas.
“Esta plataforma abre caminho para fontes de luz ultracompactas e componentes de direção de feixe para tecnologias como LiDAR, geração quântica de luz e processamento de sinal óptico, todos integrados diretamente em um chip”, disse o autor principal Michel Cotrufo, ex-bolsista de pós-doutorado na CUNY e agora professor assistente da Universidade de Rochester. “Como o conceito é orientado pela geometria, e não por um material específico, ele pode ser aplicado a muitos outros materiais não lineares e a diferentes cores de luz, incluindo ultravioleta.”
Os pesquisadores acrescentaram que versões futuras da tecnologia poderiam envolver o empilhamento ou combinação de múltiplas metassuperfícies, cada uma otimizada de maneira ligeiramente diferente, para operar eficientemente em uma faixa mais ampla de comprimentos de onda.
Esta pesquisa foi apoiada pelo Departamento de Defesa dos EUA, pela Fundação Simmons e pelo Conselho Europeu de Pesquisa.
