Criar dispositivos extremamente pequenos que possam guiar e controlar a luz com precisão é um desafio fundamental para muitas tecnologias emergentes. Cientistas do Centro de Pesquisa Avançada em Ciências na CUNY Graduate Center (CUNY ASRC) fizeram um avanço importante ao desenvolver uma metasuperfície capaz de converter luz infravermelha invisível em luz visível e direcioná-la em direções específicas sem depender de partes móveis. As descobertas estão descritas em um novo estudo publicado na revista eLight.
A nova metasuperfície toma a forma de um chip ultra fino coberto com estruturas minúsculas que são menores do que o comprimento de onda da própria luz. Quando um laser infravermelho atinge a superfície, o chip eleva a luz a uma cor (ou frequência) mais alta e a libera como um feixe focado. A direção desse feixe pode ser ajustada simplesmente alterando a polarização da luz que entra.
Em testes de laboratório, os pesquisadores converteram luz infravermelha com um comprimento de onda de cerca de 1530 nanômetros, semelhante ao que é utilizado em sistemas de comunicação por fibra óptica, em luz verde visível próxima a 510 nanômetros. Eles também conseguiram direcionar o feixe de saída para 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 para onde você quiser, tudo em um único chip”, disse Andrea Alù, diretor fundador da Iniciativa de Fotônica do CUNY ASRC e professor distinto no CUNY Graduate Center. “Ao fazer diferentes partes da superfície trabalharem juntas, obtemos uma conversão de luz muito eficiente e controle preciso sobre para onde essa luz vai.”
Resolvendo um Desafio de Engenharia Duradouro
Metasuperfícies têm sido usadas por engenheiros para curvar, focar e moldar a luz usando estruturas planas em nanoescala. No entanto, esses sistemas geralmente enfrentam uma difícil troca.
Alguns designs oferecem controle fino ajustando a luz em cada ponto individual na superfície, mas não são muito eficientes em fortalecer o sinal de luz. Outros designs permitem que ondas de luz interajam em toda a superfície, o que pode aumentar muito a eficiência, mas essa abordagem muitas vezes sacrifica o controle detalhado sobre a forma e direção do feixe.
O novo dispositivo desenvolvido na CUNY é o primeiro a superar essa limitação para geração de luz não linear, um processo no qual uma cor de luz é convertida em outra. O chip utiliza uma ressonância coletiva conhecida como estado quasi ligado no contínuo para aprisionar e intensificar a luz infravermelha que entra em toda a superfície. Ao mesmo tempo, cada elemento estrutural minúsculo é rotacionado 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, significando que a luz de saída tem três vezes a frequência do feixe que entrou, ao mesmo tempo em que direciona essa luz em direções específicas. Alterar a polarização do feixe de entrada inverte a direção do direcionamento, fornecendo 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 que é alcançado por dispositivos de modelagem de feixe semelhantes que não possuem essas ressonâncias coletivas.
Rumo a Fontes de Luz Compactas e Óptica Integrada
Ser capaz de criar e dirigir novas cores de luz de maneira eficiente em um chip plano abre a porta para muitas aplicações práticas.
“Esta plataforma abre um caminho para fontes de luz ultra compactas e elementos de direcionamento de feixe para tecnologias como LiDAR, geração de luz quântica e processamento de sinal óptico, 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 um pouco diferente, para funcionar de maneira 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.