Esta superfície ultrafina controla a luz de duas maneiras completamente diferentes

A dispersão é uma propriedade fundamental das ondas eletromagnéticas. Embora permita efeitos úteis dependentes do comprimento de onda, também causa aberrações cromáticas que se tornam mais graves à medida que a largura de banda aumenta. Esses efeitos podem mudar os ângulos de direção, mover pontos focais e reduzir a precisão espacial. Metasuperfícies, que são estruturas planas feitas de arranjos cuidadosamente projetados de metaátomos de comprimento de onda inferior, oferecem uma maneira poderosa de moldar a luz. No entanto, a maioria dos projetos de metassuperfícies acromáticas existentes são limitados na prática a um único canal de rotação. Em outros casos, ambos os canais de spin são endereçados, mas forçados a compartilhar o mesmo comportamento de dispersão. Como resultado, o controle totalmente independente do atraso de fase e de grupo para ambos os spins dentro de um dispositivo compacto permaneceu difícil, embora seja essencial para sistemas ópticos multicanais e multiplexados.

Combinando fases geométricas para desbloquear o controle de giro duplo

Para superar este desafio ao nível dos metaátomos individuais, os investigadores desenvolveram uma estrutura de fase híbrida na qual cada fase geométrica desempenha um papel distinto. Neste projeto, a fase AA permite o que a equipe chama de “desbloqueio de rotação”, enquanto a fase PB fornece “extensão de fase”. Distribuições assimétricas de corrente dentro de cada meta-átomo fazem com que ondas circularmente polarizadas (RCP e LCP) para destros e canhotos reflitam ao longo de caminhos diferentes. Esta separação permite que suas propriedades de fase e dispersão sejam controladas de forma independente.

A equipe então ajustou a força ressonante dos metaátomos para ajustar independentemente o atraso do grupo para cada giro. Ao mesmo tempo, o ajuste de frequência e a rotação estrutural local foram usados ​​para definir a fase, mantendo baixa a diafonia indesejada. A fase PB, adicionada através da rotação global, estende a faixa de fase disponível em direção a 2π completo sem alterar significativamente o projeto de atraso do grupo. Juntos, esses elementos criam uma estratégia prática de design de camada única para controle acromático de rotação dupla.

Prova Experimental em Múltiplas Bandas de Frequência

Os pesquisadores demonstraram sua abordagem experimentalmente usando dois tipos de dispositivos operando na faixa de 8 a 12 GHz. Uma classe consistia em defletores de feixe acromáticos desbloqueados por rotação que mantinham uma direção estável e dependente da rotação em toda a banda. O outro envolveu metalenses acromáticos que atribuíram diferentes funções de foco à luz RCP e LCP, preservando ao mesmo tempo um forte desempenho em uma ampla faixa de frequência.

Além disso, a equipe apresentou projetos que aplicam os mesmos princípios na faixa de 0,8-1,2 THz terahertz. Isto mostra que o método não está restrito a uma única parte do espectro eletromagnético, mas representa uma estrutura de engenharia de dispersão amplamente aplicável.

Rumo a sistemas meta-ópticos mais versáteis

Este trabalho move meta-superfícies acromáticas além da correção de canal único e para o reino da meta-óptica de spin duplo totalmente independente. Ao tratar os dois estados de spin como graus de liberdade genuinamente separados, a abordagem permite sistemas ópticos compactos com múltiplas funções integradas em um único dispositivo. Olhando para o futuro, a estratégia de projeto de fase híbrida poderia ser estendida para a faixa visível para imagens multiplexadas por polarização e óptica integrada de banda larga. Os pesquisadores também observam que os métodos de design inverso, incluindo algoritmos genéticos e aprendizado profundo, poderiam ajudar a acelerar a otimização de dispositivos e apoiar a implantação de sistemas no mundo real.