Criar dispositivos muito pequenos que possam direcionar e controlar a luz com precisão é um desafio fundamental para muitas tecnologias emergentes. Cientistas do Centro de Pesquisa Avançada do CUNY Graduate Center (CUNY ASRC) fizeram progressos importantes ao desenvolver uma metassuperfície que pode converter luz infravermelha invisível em luz visível e direcioná-la em direções específicas sem depender de partes móveis. Seus resultados são descritos em um novo estudo publicado na revista eLight.
A nova metassuperfície tem a forma de um chip ultrafino coberto por pequenas estruturas menores que o 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 emite como um feixe altamente focado. A direção deste feixe pode ser ajustada simplesmente alterando a polarização da luz que entra.
Em testes de laboratório, os pesquisadores converteram luz infravermelha com comprimento de onda de cerca de 1.530 nanômetros, semelhante ao usado em sistemas de comunicação de fibra óptica, em luz verde visível de cerca de 510 nanômetros. Eles também foram capazes de direcionar 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 direciona o feixe para onde você quiser, tudo em um chip”, disse Andrea Alou, 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 a luz vai.”
Uma solução para um problema de engenharia de longa data
As metasuperfícies têm sido usadas há muito tempo por engenheiros para dobrar, focar e moldar a luz usando estruturas planares em nanoescala. No entanto, estes sistemas geralmente enfrentam uma difícil compensação.
Alguns designs oferecem controle preciso ajustando a luz em cada ponto individual da superfície, mas não são muito eficazes na amplificação do sinal luminoso. Outros projetos permitem que as ondas de luz interajam em toda a superfície, o que pode aumentar muito a eficiência, mas essa abordagem muitas vezes sacrifica o controle refinado 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 transformada em outra. O chip usa uma ressonância coletiva, conhecida como estado quase ligado no continuum, para capturar e amplificar a luz infravermelha incidente na superfície. Ao mesmo tempo, cada pequeno elemento estrutural gira 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.
Controle de feixe eficiente sem peças móveis
Devido a esse design, a metassuperfície gera o terceiro harmônico de luz, o que significa que a luz de saída tem três vezes a frequência do feixe de entrada, enquanto direciona essa luz em direções específicas. Alterar a polarização do feixe de entrada altera a direção do volante, proporcionando uma maneira simples e eficaz de controlar para onde a luz vai.
Como resultado, o sinal de terceiro harmônico gerado pelo chip é aproximadamente 100 vezes mais eficiente do que aquele alcançado por dispositivos de formação de feixe semelhantes que não possuem essas ressonâncias coletivas.
Rumo a fontes de luz compactas e óptica integrada
A capacidade de criar e direcionar com eficiência novas cores de luz para um chip plano abre as portas para muitas aplicações práticas.
“Esta plataforma abre caminho para fontes de luz ultracompactas e controles 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 Cotrufa, ex-bolsista de pós-doutorado da CUNY e agora professora assistente na Universidade de Rochester. “Como este conceito é impulsionado pela geometria e não por um material específico, ele pode ser aplicado a muitos outros materiais não lineares e diferentes cores de luz, incluindo ultravioleta.”
Os investigadores acrescentam que versões futuras da tecnologia podem envolver o empilhamento ou combinação de múltiplas metassuperfícies, cada uma otimizada de uma forma diferente, para funcionar eficientemente 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.
