Pesquisadores desenvolveram um novo dispositivo óptico capaz de produzir duas formas diferentes de luz em forma de vórtice, uma elétrica e outra magnética. Esses padrões de luz estruturada, conhecidos como skyrmions, são excepcionalmente estáveis e permanecem intactos mesmo quando expostos a interferências. Essa resiliência os torna candidatos atraentes para a codificação de informações em futuros sistemas de comunicação sem fio.
“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. “Essa controlabilidade é essencial para aplicações reais, onde a seleção e reprodução confiáveis de um estado desejado são cruciais para a codificação prática de informações.”
A equipe relatou o trabalho na Optica, o jornal do Optica Publishing Group para 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 alternados ativamente entre configurações elétricas e magnéticas dentro de pulsos de luz terahertz toroidais. As metasuperfícies são materiais extremamente finos, padronizados em escala nanométrica, que permitem manipular a luz de maneiras que componentes ópticos convencionais não conseguem.
“Nossos resultados movem o conceito de skyrmions em espaço livre comutáveis em direção a uma ferramenta controlável para codificação robusta de informações”, disse o co-autor correspondente Yijie Shen da Universidade Tecnológica de Nanyang. “Este trabalho pode inspirar abordagens mais resilientes para comunicação sem fio terahertz e processamento de informações baseadas em luz. Esse tipo de controle também poderia permitir circuitos baseados em luz que geram, alternam e roteiam diferentes estados de sinais de maneira controlada.”
Estruturas de luz terahertz programáveis
Ondas terahertz têm atraído um interesse crescente 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 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, criando uma forma estável semelhante a um donut. Esses vórtices oferecem maneiras adicionais de codificar informações, mas a maioria dos sistemas existentes pode produzir apenas um único tipo de padrão e geralmente não possui a capacidade de alternar entre modos.
Para abordar essa limitação, os pesquisadores projetaram um dispositivo integrado capaz de alternar entre padrões de vórtice toroidal elétrico e magnético em pulsos terahertz no espaço livre. A abordagem se baseia em uma metasuperfície não linear especialmente projetada, feita de nanostruturas metálicas dispostas de forma precisa.
Quando pulsos de laser femtossegundos próximo do infravermelho com diferentes padrões de polarização atingem a metasuperfície, o dispositivo gera pulsos terahertz toroidais distintos. Dependendo da polarização, o vórtice resultante transporta uma textura skyrmion em modo elétrico ou magnético. O mecanismo funciona de maneira semelhante à seleção de diferentes chaves para produzir diferentes resultados, com um padrão de luz ativando o modo elétrico e outro ativando o modo magnético.
“A inovação central reside na metasuperfície não linear que converte pulsos de laser femtossegundos próximo do infravermelho em pulsos de luz toroidal terahertz adaptados”, disse o autor principal Li Niu da Universidade de Tianjin, que realizou 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 quão bem o sistema funcionava, a equipe construiu um conjunto de medição terahertz ultrarrápido que lhes permitiu observar o pulso de luz enquanto ele viajava pelo espaço. Em vez de depender de uma única medição, eles escanearam o pulso em várias posições e pontos no tempo para reconstruir como o campo eletromagnético evoluiu.
Essas medições revelaram as características definidoras dos pulsos de luz toroidais e distinguiram claramente entre os dois modos skyrmion. Os pesquisadores também utilizaram medições de fidelidade para avaliar o desempenho, confirmando um comportamento de comutação confiável, além de alta pureza de cada modo.
Olhando para o futuro, a equipe planeja refiná-la para aplicações voltadas para comunicação. O trabalho futuro se concentrará na melhoria da estabilidade a longo prazo, repetibilidade e eficiência, ao mesmo tempo em que 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.
