Os pesquisadores construíram um novo dispositivo óptico que pode produzir duas luzes diferentes em forma de vórtice, uma eletro-óptica e outra magnético-óptica. Esses padrões de luz estruturados, chamados skyrmions, são extremamente estáveis e permanecem intactos mesmo quando perturbados. Esta resiliência torna-os candidatos atraentes para a codificação de informações em futuros sistemas de comunicação sem fio.
“Nosso dispositivo não apenas pode gerar mais de um modo de vórtice em pulsos de terahertz de propagação no espaço livre, mas também pode alternar entre os dois modos conforme necessário usando a mesma plataforma integrada”, disse o autor correspondente, Zhang Xueqian, da Universidade de Tianjin. “Essa controlabilidade é crítica para aplicações práticas, onde a seleção e reprodução confiáveis do estado desejado são críticas para a codificação prática da informação.”
A equipe relatou o trabalho Ópticoa revista de pesquisa de alto impacto do Optica Publishing Group. Neste estudo, Zhang e seus colaboradores descrevem como usaram metassuperfícies não lineares para alcançar a primeira demonstração experimental de skyrmions que podem alternar ativamente entre configurações elétricas e magnéticas dentro de pulsos de luz terahertz em forma de anel. Metasuperfícies são materiais extremamente finos padronizados em nanoescala, permitindo-lhes manipular a luz de uma forma que os componentes ópticos tradicionais não conseguem.
“Nossos resultados avançam o conceito de skyrmions de espaço livre comutáveis como uma ferramenta controlável para codificação robusta de informações”, disse o co-autor Yijie Shen, da Universidade Tecnológica de Nanyang. “Este trabalho poderia inspirar comunicações sem fio terahertz mais resilientes e métodos de processamento de informações baseados em luz. Este tipo de controle também poderia permitir que circuitos baseados em luz gerassem, comutem e roteem diferentes estados de sinal de maneira controlada.”
Estruturas ópticas terahertz programáveis
As ondas Terahertz estão gerando cada vez mais interesse nas comunicações e tecnologias de detecção da próxima geração. A pesquisa faz parte de um esforço maior para desenvolver fontes de luz terahertz que façam mais do que apenas emitir pulsos e se concentrem em moldar esses pulsos para uso prático.
Uma estrutura particularmente promissora é um vórtice de luz toroidal, que forma um anel no qual o campo eletromagnético se curva em uma forma estável de donut. Esses vórtices fornecem maneiras adicionais de codificar informações, mas a maioria dos sistemas existentes só pode produzir um único tipo de padrão e muitas vezes não tem a capacidade de alternar entre padrões.
Para resolver esta limitação, os pesquisadores projetaram um dispositivo integrado capaz de alternar entre os modos de vórtice toroidal elétrico e magnético em pulsos de terahertz no espaço livre. O método depende de metassuperfícies não lineares especialmente projetadas, feitas de nanoestruturas metálicas precisamente alinhadas.
Quando pulsos de laser de femtosegundo no infravermelho próximo com diferentes modos de polarização atingem a metassuperfície, o dispositivo produz diferentes pulsos em anel de terahertz. Dependendo da polarização, as correntes parasitas produzidas têm estruturas skyrmion de modo elétrico ou de modo magnético. O mecanismo funciona de forma semelhante à seleção de teclas diferentes para produzir resultados diferentes, com um modo de luz ativando o modo elétrico e outro modo de luz ativando 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 personalizados em forma de anel de terahertz”, disse o primeiro autor Li Niu, da Universidade de Tianjin, que conduziu os experimentos.
O líder do projeto, Han Jiaguang, da Universidade de Tianjin, acrescentou: “Ao empregar componentes ópticos simples, como placas de onda e retardadores de vórtice para controlar o modo de polarização do laser de entrada, fomos capazes de criar um dispositivo compacto que pode alternar ativamente entre dois estados topológicos de luz diferentes.”
Medição e verificação de interruptores skyrmion
Para testar o funcionamento do sistema, a equipe construiu um dispositivo ultrarrápido de medição de terahertz que lhes permitiu observar pulsos de luz enquanto viajavam pelo espaço. Em vez de depender de uma única medição, eles examinaram pulsos em vários locais e pontos no tempo para reconstruir a evolução do campo eletromagnético.
Estas medições revelaram as características definidoras dos pulsos de luz em forma de anel e distinguiram claramente os dois modos do skyrmion. Os pesquisadores também usaram medidas de fidelidade para avaliar o desempenho, confirmando o comportamento de comutação confiável e a alta pureza de cada modo.
No futuro, a equipe planeja refinar a tecnologia para aplicações focadas em comunicações. O trabalho futuro se concentrará na melhoria da estabilidade, reprodutibilidade e eficiência a longo prazo, ao mesmo tempo em que tornará o sistema menor e mais robusto. Eles também pretendiam estender o método além dos dois modos, adicionando estados controláveis adicionais, o que permitiria uma codificação de informações mais complexa e flexível.
