Criar dispositivos extremamente pequenos que possam guiar e controlar a luz com precisão é um desafio fundamental para muitas tecnologias emergentes. Cientistas do Centro de Pesquisa Científica Avançada do CUNY Graduate Center (CUNY ASRC) agora fizeram progressos importantes ao desenvolver uma metassuperfície que pode converter luz infravermelha invisível em luz visível e guiá-la em direções específicas 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 próprio comprimento de onda da luz. Quando um laser infravermelho atinge uma superfície, o chip converte a luz em uma cor (ou frequência) mais alta e a libera como um feixe bem focado. A direção do feixe pode ser ajustada simplesmente alterando a polarização da luz incidente.
Em testes de laboratório, os pesquisadores converteram luz infravermelha com comprimento de onda de cerca de 1.530 nanômetros, semelhante ao usado em sistemas de comunicação de fibra óptica, em luz verde visível próxima a 510 nanômetros. Eles também são capazes de guiar o feixe de saída para um ângulo selecionado com alta precisão.
“Pense nisso como um holofote microscópico plano que pode não apenas mudar a cor da luz, mas também direcionar o feixe para onde você quiser, tudo em um único chip”, disse Andrea Alù, diretora fundadora do CUNY ASRC Photonics Program e Distinguished Professor no CUNY Graduate Center. “Ao fazer com que diferentes partes da superfície trabalhem juntas, podemos converter a luz de forma muito eficiente e controlar com precisão para onde a luz vai.”
Resolva desafios de engenharia de longa data
Os engenheiros há muito usam metasuperfícies, que usam estruturas planares em nanoescala para dobrar, focar e moldar a luz. No entanto, estes sistemas enfrentam frequentemente compromissos difíceis.
Alguns designs fornecem um controle preciso ajustando a luz em cada ponto individual da superfície, mas não são muito eficazes para melhorar o sinal de luz. Outros projetos permitem que as ondas de luz interajam em toda a superfície, o que pode melhorar muito a eficiência, mas essa abordagem muitas vezes sacrifica o controle detalhado sobre a forma e a direção do feixe.
O novo dispositivo desenvolvido na CUNY é o primeiro a superar essa limitação da geração de luz não linear, processo pelo qual uma cor de luz é convertida em outra. O chip explora ressonâncias coletivas no continuum, chamadas de estados quase ligados, para capturar e aprimorar a luz infravermelha incidente em toda a superfície. Ao mesmo tempo, cada pequeno elemento estrutural gira em um padrão cuidadosamente projetado para que a luz emergente adquira uma fase dependente da posição, semelhante ao efeito de uma lente ou prisma embutido.
Direção eficiente do feixe sem peças móveis
Devido 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, ao mesmo tempo que gira a 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 chip gera sinais de terceiro harmônico cerca de 100 vezes mais eficientemente do que dispositivos similares de modelagem de feixe que não possuem essas ressonâncias coletivas.
Rumo a fontes de luz compactas e óptica integrada
Ser capaz de criar e direcionar com eficiência novas cores de luz em um chip plano abre as portas para muitas aplicações práticas.
“Esta plataforma abre caminho para fontes de luz ultracompactas e elementos de direção de feixe para tecnologias como lidar, geração quântica de luz e processamento de sinal óptico, todos integrados diretamente no chip”, disse a primeira autora Michele Cotrufo, ex-bolsista de pós-doutorado na CUNY e agora professora assistente na Universidade de Rochester. “Como este conceito é impulsionado pela geometria e não por um material específico, ele pode ser aplicado a muitos outros materiais não lineares e diferentes cores de luz, incluindo luz ultravioleta.”
Os pesquisadores acrescentaram que versões futuras da tecnologia poderiam envolver empilhamento ou combinação de múltiplas metassuperfícies, cada uma otimizada de maneira ligeiramente diferente para funcionar de forma eficaz em uma faixa mais ampla de comprimentos de onda.
Esta pesquisa foi apoiada pelo Departamento de Defesa dos EUA, pela Fundação Simons e pelo Conselho Europeu de Pesquisa.
