Uma nova maneira de controlar a luz pode impulsionar a futura tecnologia sem fio

“Nosso dispositivo não apenas gera mais de um padrão de vórtice em pulsos terahertz de propagação 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 prática da informação.”

A equipe relatou o trabalho em ÓPTICOrevista do Optica Publishing Group para pesquisas de alto impacto. No estudo, Zhang e seus colaboradores descrevem como usaram uma metassuperfície não linear para alcançar a primeira demonstração experimental de skyrmions que podem ser alternados ativamente entre configurações elétricas e magnéticas dentro de pulsos de luz toroidais de terahertz. Metasuperfícies são materiais extremamente finos padronizados em nanoescala, permitindo-lhes manipular a luz de uma forma que os componentes ópticos convencionais não conseguem.

“Nossos resultados movem o conceito de skyrmions de espaço livre comutáveis ​​em direção a uma ferramenta controlável para codificação robusta de informações”, disse o co-autor Yijie Shen, da Universidade Tecnológica de Nanyang. “Este trabalho poderia inspirar abordagens mais resilientes para comunicação sem fio terahertz e processamento de informações baseado em luz. Este tipo de controle também poderia permitir circuitos baseados em luz que geram, alternam e roteiam diferentes estados de sinal de forma controlada.”

Estruturas de luz terahertz programáveis

As ondas Terahertz estão atraindo cada vez mais interesse pelas tecnologias de comunicação e detecção 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 na modelagem desses pulsos para uso prático.

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

Para resolver esta limitação, os pesquisadores projetaram um dispositivo integrado capaz de alternar entre padrões de vórtices toroidais elétricos e magnéticos em pulsos de terahertz no espaço livre. A abordagem depende de uma metassuperfície não linear especialmente projetada, feita de nanoestruturas metálicas dispostas com precisão.

Quando pulsos de laser de femtosegundo no infravermelho próximo com diferentes padrões de polarização atingem a metassuperfície, o dispositivo gera pulsos toroidais terahertz distintos. Dependendo da polarização, o vórtice resultante carrega uma textura 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 padrão de luz ativando o modo elétrico e outro 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 toroidais de terahertz personalizados”, disse o primeiro autor 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, somos capazes de criar um dispositivo compacto que pode alternar ativamente entre dois estados de luz topológicos distintos.”

Medindo e validando a comutação skyrmion

Para testar o funcionamento do sistema, a equipe construiu uma configuração de medição ultrarrápida de terahertz que lhes permitiu observar o pulso de luz enquanto viajava pelo espaço. Em vez de confiar em uma única medição, eles examinaram o pulso em múltiplas posições e pontos no tempo para reconstruir como o campo eletromagnético evoluiu.

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

Olhando para o futuro, a equipe planeja refinar a tecnologia para aplicações focadas em comunicação. O trabalho futuro se concentrará na melhoria da estabilidade, repetibilidade e eficiência a longo prazo, ao mesmo tempo em que tornará o sistema menor e mais robusto. Eles também pretendem expandir a abordagem para além dos dois modos, adicionando estados controláveis ​​adicionais, o que permitiria uma codificação de informações mais complexa e flexível.