Uma abordagem inovadora para regular a luz pode impulsionar a tecnologia sem fio do futuro.

Controlo de padrões de luz em vórtice

“Nosso dispositivo não apenas gera mais de um padrão de vórtice em pulsos terahertz que se propagam no espaço livre, mas também pode ser usado para alternar, sob demanda, entre dois modos usando a mesma plataforma integrada”, disse o autor correspondente Xueqian Zhang da Universidade de Tianjin. “Tal controlabilidade é essencial para aplicações reais, onde a seleção e reprodução confiáveis de um estado desejado são cruciais para a codificação de informações prática.”

A equipe relatou o trabalho na Optica, o jornal do Optica Publishing Group dedicado a pesquisas de alto impacto. No estudo, Zhang e seus colaboradores descrevem como usaram uma metasuperfície não linear para alcançar a primeira demonstração experimental de skyrmions que podem ser ativamente alternados entre configurações elétricas e magnéticas dentro de pulsos de luz terahertz toroidais. Metasuperfícies são materiais extremamente finos, estampados em nível nanométrico, permitindo que manipulem a luz de maneiras que os componentes ópticos convencionais não conseguem.

“Nossos resultados movem o conceito de skyrmions em espaço livre e comutáveis em direção a uma ferramenta controlável para codificação robusta de informações,” disse o coautor correspondente Yijie Shen da Universidade Tecnológica de Nanyang. “Esse trabalho pode inspirar abordagens mais resilientes para comunicação sem fio em terahertz e processamento de informações com luz. Esse tipo de controle também poderia possibilitar circuitos baseados em luz que geram, alternam e roteiam diferentes estados de sinais de maneira controlada.”

Estruturas de luz terahertz programáveis

As ondas terahertz estão atraindo cada vez mais interesse para tecnologias de comunicação e sensoriamento de próxima geração. Esta pesquisa faz parte de um esforço maior para desenvolver fontes de luz terahertz que façam mais do que emitir pulsos, com ênfase em moldar esses pulsos para uso prático.

Uma estrutura especialmente promissora é o vórtice toroidal de luz, que forma um anel onde o campo eletromagnético curva-se sobre si mesmo, criando uma forma estável, semelhante a um doughnut. Esses vórtices oferecem maneiras adicionais de codificar informações, mas a maioria dos sistemas existentes pode produzir apenas um único tipo de padrão e geralmente carecem da capacidade de alternar entre modos.

Para abordar essa limitação, os pesquisadores projetaram um dispositivo integrado capaz de alternar entre padrões de vórtice toroidal elétricos e magnéticos em pulsos de terahertz que se propagam no espaço livre. A abordagem se baseia em uma metasuperfície não linear especialmente projetada, feita de nanostruturas metálicas dispostas de maneira precisa.

Quando pulsos de laser de femtossegundos na região do infravermelho com diferentes padrões de polarização atingem a metasuperfície, o dispositivo gera pulsos toroidais de terahertz distintos. Dependendo da polarização, o vórtice resultante carrega uma textura de skyrmion em modo elétrico ou magnético. O mecanismo funciona de forma semelhante a selecionar diferentes teclas para produzir resultados diferentes, com um padrão de luz ativando o modo elétrico e outro ativando o modo magnético.

“A principal inovação reside na metasuperfície não linear que converte pulsos de laser de femtossegundos na região do infravermelho em pulsos de luz toroidal de terahertz personalizados,” disse o autor principal Li Niu da Universidade de Tianjin, que conduziu os experimentos.

O líder do projeto Jiaguang Han, da Universidade de Tianjin, acrescentou: “Ao empregar elementos ópticos simples, como placas de onda e retardadores de vórtice para controlar o padrão de polarização do laser de entrada, conseguimos criar um dispositivo compacto que pode alternar ativamente entre dois estados de luz topológicos distintos.”

Medindo e validando a comutação de skyrmions

Para testar o quão bem o sistema funcionou, a equipe construiu um setup de medição de terahertz ultrarrápido que permitiu observar o pulso de luz enquanto ele percorria o espaço. Em vez de depender de uma única medição, eles escanearam o pulso em várias posições e pontos de tempo para reconstruir como o campo eletromagnético evoluiu.

Essas medições revelaram as características definidoras dos pulsos de luz toroidal e distinguiram claramente entre os dois modos de skyrmion. Os pesquisadores também utilizaram medições de fidelidade para avaliar o desempenho, confirmando um comportamento de comutação confiável, junto com alta pureza de cada modo.

Olhando para o futuro, a equipe planeja aprimorar a tecnologia para aplicações focadas em comunicação. O trabalho futuro se concentrará em melhorar a estabilidade a longo prazo, a repetibilidade e a eficiência, enquanto torna o sistema menor e mais robusto. Eles também visam expandir a abordagem além de dois modos, adicionando estados controláveis adicionais, o que permitiria uma codificação de informações mais complexa e flexível.