A luz pode transmitir grandes quantidades de informação a velocidades extraordinárias, razão pela qual as tecnologias fotónicas estão a ser exploradas para comunicações mais rápidas, computação mais poderosa e sensores altamente sensíveis. No entanto, para que esses sistemas funcionem, os investigadores precisam de formas precisas de controlar a direção da luz e alterá-la muito rapidamente.
Os pesquisadores da Caltech desenvolveram agora um dispositivo que usa um feixe de luz para redirecionar outro em apenas 74 femtossegundos (74 quatrilionésimos de segundo). Este é aproximadamente o tempo que a luz leva para percorrer a largura de um fio de cabelo humano.
“É muito desafiador manipular a luz com a matéria porque a luz normalmente interage muito fracamente com a matéria. Ao usar meta-superfícies ópticas (folhas ultrafinas cuidadosamente nanoengenhadas), podemos aumentar a força de interação para tornar isso possível com uma eficiência muito maior, “disse Harry, Professor Howard Hughes de Física Aplicada e Ciência de Materiais e Presidente de Liderança Otis Booth da Divisão de Engenharia e Ciência Aplicada da Caltech. Atwater diz.
Os pesquisadores relatam suas descobertas em um artigo publicado recentemente nanotecnologia da natureza. O autor principal, Claudio Hale, conduziu a pesquisa quando era pós-doutorado no laboratório Caltech de Atwater. Ele agora é professor assistente de engenharia mecânica na UC Berkeley.
Por que a direção leve tradicional tem limite de velocidade?
Muitas tecnologias existentes para direcionar ou modular a luz dependem da alteração das propriedades eletrônicas de um material. Exemplos incluem painéis de cristal líquido usados em projetores e chips ópticos encontrados em sistemas de telecomunicações.
Nestes dispositivos, os elétrons são empurrados para um estado de energia mais elevado antes de retornarem a um estado mais baixo e liberarem o excesso de energia. Esse relaxamento leva tempo, criando um gargalo que normalmente limita a modulação da luz a escalas de tempo de nanossegundos ou picossegundos (trilionésimos de segundo).
A equipe de Atwater adotou uma abordagem diferente, eliminando a necessidade de sinais elétricos. Em vez disso, os pesquisadores usaram um poderoso feixe de luz, conhecido como bomba, com um padrão cuidadosamente projetado que altera temporariamente o comportamento óptico de um material.
Em seguida, um segundo feixe mais fraco, chamado sonda, passou pelo material. Sua direção mudou de acordo com o padrão criado pelo feixe da bomba.
Usando o efeito Kerr óptico
Este sistema depende de um fenômeno denominado efeito Kerr óptico. Quando um feixe intenso de luz passa através de um material, ele pode produzir brevemente uma mudança muito pequena no índice de refração do material, que descreve a quantidade de luz que desacelera e se curva à medida que viaja através desse material.
Este efeito vem da mudança na velocidade dos elétrons Dentro Seus orbitais, as regiões ao redor do núcleo do átomo onde os elétrons têm alta probabilidade de estarem localizados. O importante é que os elétrons não sejam empurrados para estados excitados diferentes e de longa duração.
Como resultado, as alterações podem aparecer e desaparecer quase tão rapidamente quanto os pulsos de luz. Não há necessidade de esperar que os elétrons excitados retornem a um nível de energia mais baixo.
No entanto, por si só, o efeito Kerr óptico é muito fraco para redirecionar um feixe de luz para uma quantidade que seria útil em dispositivos práticos.
Pilares de silício em nanoescala melhoram o efeito
Para fortalecer a reação, os pesquisadores criaram uma meta-superfície a partir de uma fina película de silício amorfo. A superfície estava coberta por pilares em nanoescala, cada um deles menor que o comprimento de onda da luz da bomba.
Ao escolher cuidadosamente o tamanho e o espaçamento desses pilares, a equipe permitiu que a luz permanecesse por mais tempo dentro da meta-superfície e se propagasse dentro dela, em vez de passar diretamente por ela.
Esse tempo extra de interação ampliou a pequena mudança no índice de refração no silício. O impacto resultante tornou-se forte o suficiente para redirecionar o feixe da sonda.
Usando este projeto, os pesquisadores direcionaram a luz através de um ângulo de até 13 graus em 74 femtossegundos. Eles também mostraram que a velocidade de modulação era limitada pela duração do pulso da bomba (que também era de 74 femtossegundos).
Um controle de iluminação ainda mais rápido pode ser possível
Os pesquisadores dizem que o limite de velocidade atual vem dos pulsos de laser usados para operar o sistema, e não das propriedades fundamentais do metamaterial.
Isso abre a possibilidade de tornar o processo ainda mais rápido. Com um maior desenvolvimento, a tecnologia poderá atingir escalas de tempo relevantes para conceitos fotônicos emergentes, incluindo cristais de tempo e materiais ópticos sintéticos variantes no tempo.
O artigo é intitulado “Direção de feixe totalmente óptico ultrarrápido e reconfigurável e modulação de luz espacial”. Junto com Hale e Atwater, Lior Michaeli também é autor do artigo. Ele completou o trabalho como pós-doutorado na Caltech e agora é professor assistente de engenharia elétrica e de computação na Universidade de Tel Aviv.
Este trabalho foi apoiado por financiamento do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea e de sua Iniciativa de Pesquisa Universitária Multidisciplinar de Meta-Imaging, da Swiss National Science Foundation, do Fulbright Fellowship Program e da Breakthrough Foundation. O Kavli Nanoscience Institute da Caltech forneceu infraestrutura e suporte para o trabalho.
