Este chip fino como papel transforma a luz invisível em um feixe orientável

A nova metassuperfície assume a forma de um chip ultrafino coberto por estruturas minúsculas que são menores que o próprio comprimento de onda da luz. Quando um laser infravermelho atinge a superfície, o chip muda 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 de laboratório, os pesquisadores converteram a luz infravermelha com comprimento de onda de cerca de 1.530 nanômetros, semelhante ao usado em sistemas de comunicação por fibra óptica, em luz verde visível próxima a 510 nanômetros. Eles também foram capazes de guiar o feixe de saída em ângulos selecionados com alta precisão.

“Pense nele como um holofote microscópico plano que não apenas muda a cor da luz, mas também aponta o feixe para onde você quiser, tudo em um único chip”, disse Andrea Alù, diretora fundadora da CUNY ASRC Photonics Initiative e Distinguished Professor no CUNY Graduate Center. “Ao fazer com que diferentes partes da superfície trabalhem juntas, obtemos uma conversão de luz muito eficiente e um controle preciso sobre para onde essa luz vai.”

Resolvendo um desafio de engenharia de longa data

As metasuperfícies têm sido usadas há muito tempo por engenheiros para dobrar, focar e moldar a luz usando estruturas planas em nanoescala. No entanto, estes sistemas normalmente enfrentam uma difícil compensação.

Alguns designs oferecem um controle preciso ajustando a luz em cada ponto individual da superfície, mas não são muito eficientes no fortalecimento do sinal luminoso. Outros projetos permitem que as ondas de luz interajam em toda a superfície, o que pode aumentar significativamente a eficiência, mas esta 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 para a geração de luz não linear, processo em que uma cor de luz é convertida em outra. O chip usa uma ressonância coletiva conhecida como estado quase ligado no continuum para capturar e intensificar a luz infravermelha que chega em toda a superfície. Ao mesmo tempo, cada pequeno elemento estrutural é girado em um padrão cuidadosamente planejado, permitindo que a luz que sai adquira uma fase dependente da posição semelhante ao efeito de uma lente ou prisma embutido.

Direção eficiente do feixe sem peças móveis

Graças a este design, a metassuperfície gera luz de terceiro harmônico, o que significa que a luz que sai tem três vezes a frequência do feixe de entrada, ao mesmo tempo que direciona essa luz em direções específicas. Alterar a polarização do feixe de entrada inverte a direção da direção, proporcionando uma maneira simples e eficaz de controlar para onde a luz vai.

Como resultado, o sinal de terceira harmônica produzido pelo chip é cerca de 100 vezes mais eficiente do que o obtido por dispositivos similares de modelagem de feixe que não possuem essas ressonâncias coletivas.

Rumo a fontes de luz compactas e óptica integrada

Ser capaz de criar e direcionar com eficiência novas cores de luz em um chip plano abre as portas para muitas aplicações práticas.

“Esta plataforma abre caminho para fontes de luz ultracompactas e elementos de direção de feixe para tecnologias como LiDAR, geração quântica de luz e processamento de sinal óptico, todos integrados diretamente em um chip”, disse a autora principal Michele Cotrufo, ex-bolsista de pós-doutorado na CUNY e agora professora assistente na Universidade de Rochester. “Como o conceito é orientado pela geometria, e não por um material específico, ele pode ser aplicado a muitos outros materiais não lineares e a diferentes cores de luz, incluindo o ultravioleta.”

Os investigadores acrescentam que versões futuras da tecnologia poderão envolver o empilhamento ou a combinação de múltiplas metassuperfícies, cada uma otimizada de forma ligeiramente diferente, para funcionar de forma eficiente numa 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.