Este chip ultrafino transforma luz invisível em um feixe direcionável.
Criar dispositivos extremamente pequenos que podem guiar e controlar a luz de forma precisa é um desafio fundamental para muitas tecnologias emergentes. Cientistas do Centro de Pesquisa Avançada em Ciências da CUNY Graduate Center (CUNY ASRC) fizeram um importante avanço ao desenvolver uma metasuperfície que pode converter luz infravermelha invisível em luz visível e direcioná-la…
Criar dispositivos extremamente pequenos que podem guiar e controlar a luz de forma precisa é um desafio fundamental para muitas tecnologias emergentes. Cientistas do Centro de Pesquisa Avançada em Ciências da CUNY Graduate Center (CUNY ASRC) fizeram um importante avanço ao desenvolver uma metasuperfície que pode converter luz infravermelha invisível em luz visível e direcioná-la em direções específicas, sem depender de partes móveis. Suas descobertas estão descritas em um novo estudo publicado na revista eLight.
A nova metasuperfície tem a forma de um chip ultra fino coberto com estruturas diminutas que são menores do que o comprimento de onda da própria luz. Quando um laser infravermelho incide sobre a superfície, o chip eleva a luz para uma cor (ou frequência) mais alta e a libera como um feixe bem focado. A direção desse feixe pode ser ajustada simplesmente alterando a polarização da luz que entra.
Em testes laboratoriais, os pesquisadores converteram luz infravermelha com um comprimento de onda de cerca de 1530 nanômetros, semelhante ao que é usado em sistemas de comunicação por fibra óptica, em luz verde visível próxima a 510 nanômetros. Eles também conseguiram guiar o feixe de saída em ângulos selecionados com alta precisão.
“Pense nisso como um holofote microscópico e plano que não só muda a cor da luz, mas também aponta o feixe aonde você quiser, tudo em um único chip”, disse Andrea Alù, diretor fundador da Iniciativa de Fotônica da CUNY ASRC e Professor Distinto na CUNY Graduate Center. “Ao fazer partes diferentes da superfície trabalharem juntas, conseguimos tanto uma conversão de luz muito eficiente quanto um controle preciso sobre para onde essa luz vai.”
Resolvendo um Desafio de Engenharia Duradouro
Metasuperfícies têm sido usadas há muito tempo por engenheiros para dobrar, focar e moldar luz usando estruturas planas em escala nanométrica. No entanto, esses sistemas normalmente enfrentam uma difícil troca.
Alguns designs oferecem controle fino ajustando a luz em cada ponto individual da superfície, mas não são muito eficientes em fortalecer o sinal de luz. Outros designs permitem que ondas de luz interajam por toda a superfície, o que pode aumentar significativamente 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 na geração de luz não linear, um processo pelo qual uma cor da luz é convertida em outra. O chip usa uma ressonância coletiva conhecida como estado quasi-bound no continuum para aprisionar e intensificar a luz infravermelha que entra em toda a superfície. Ao mesmo tempo, cada pequeno elemento estrutural é girado em um padrão cuidadosamente planejado, permitindo que a luz de saída adquira uma fase dependente da posição, semelhante ao efeito de uma lente ou prisma embutido.
Direcionamento Eficiente de Feixes Sem Partes Móveis
Graças a esse design, a metasuperfície gera luz de terceira harmônica, o que significa que a luz de saída tem três vezes a frequência do feixe que entra, ao mesmo tempo em que direciona essa luz em direções específicas. Alterar a polarização do feixe de entrada inverte a direção do direcionamento, proporcionando uma maneira simples e eficaz de controlar para onde a luz vai.
Como resultado, o sinal da terceira harmônica produzido pelo chip é cerca de 100 vezes mais eficiente do que o alcançado por dispositivos de formação de feixe semelhantes que não possuem essas ressonâncias coletivas.
Em Direção a Fontes de Luz Compactas e Óptica Integrada
Ser capaz de criar e direcionar eficientemente novas cores de luz em um chip plano abre espaço para muitas aplicações práticas.
“Esta plataforma abre um caminho para fontes de luz ultracompactas e elementos de direcionamento de feixe para tecnologias como LiDAR, geração de luz quântica e processamento de sinais ópticos, todos integrados diretamente em um chip”, disse o autor principal Michele Cotrufo, um ex-pós-doutorando na CUNY e agora professor assistente na Universidade de Rochester. “Como o conceito é impulsionado pela geometria, e não por um material específico, pode ser aplicado a muitos outros materiais não lineares e em diferentes cores de luz, incluindo o ultravioleta.”
Os pesquisadores acrescentam que versões futuras da tecnologia poderiam envolver empilhar ou combinar múltiplas metasuperfícies, cada uma otimizada de maneira ligeiramente diferente, para funcionar de forma eficiente em uma gama 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.
