Os pesquisadores criaram um novo dispositivo óptico que pode criar duas formas diferentes de luz semelhantes a vórtices, uma elétrica e outra magnética. Esses padrões de luz estruturados, conhecidos como skyrmions, são excepcionalmente estáveis e permanecem intactos mesmo quando expostos a obstruções. Esta robustez os torna candidatos atraentes para codificação de informações em futuros sistemas de comunicação sem fio.
“Nosso dispositivo não apenas gera mais de um padrão de vórtice em pulsos de terahertz que se propagam no espaço livre, mas também pode ser usado para alternar, sob demanda, entre os dois modos usando a mesma plataforma integrada”, disse o autor correspondente Xuetian Zhang, da Universidade de Tianjin. “Tal controlabilidade é importante para aplicações do mundo real, onde a seleção e reprodução confiáveis do alvo desejado são críticas para a codificação prática da informação.”
A equipe relatou o trabalho em ÓPTICORevista do Optica Publishing Group para pesquisas de alto desempenho. No estudo, Zhang e colaboradores descrevem como usaram uma metassuperfície não linear para alcançar a primeira demonstração experimental de skyrmions que podem alternar ativamente entre configurações elétricas e magnéticas em pulsos de luz toroidais de terahertz. Metasuperfícies são materiais extremamente finos com padrões em nanoescala que lhes permitem 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 confiável de informações”, disse um dos autores correspondentes, Yizhi Shen, da Universidade Tecnológica de Nanyang. “Este trabalho pode inspirar abordagens mais sustentáveis para a comunicação sem fio terahertz e o processamento de informações baseado em luz. Este tipo de controle também pode incluir circuitos baseados em luz que geram, alternam e roteiam diferentes estados de sinal de maneira controlada.”
Estruturas de luz terahertz programáveis
As ondas Terahertz estão gerando interesse crescente em tecnologias de comunicação e detecção de próxima geração. Esta pesquisa faz parte de um esforço mais amplo para desenvolver fontes de luz terahertz que façam mais do que emitir pulsos, com ênfase na modelagem desses pulsos para uso prático.
Uma estrutura particularmente promissora é um vórtice toroidal de luz que forma um anel onde o campo eletromagnético se curva novamente em uma forma estável de donut. Esses vórtices oferecem formas adicionais de codificação de informações, mas a maioria dos sistemas existentes só pode gerar um tipo de padrão e geralmente não tem a capacidade de alternar entre modos.
Para superar essa limitação, os pesquisadores desenvolveram um dispositivo integrado capaz de alternar entre padrões de vórtices toroidais elétricos e magnéticos em pulsos de espaço livre de terahertz. A abordagem depende de uma metassuperfície não linear especialmente projetada, feita de nanoestruturas metálicas organizadas com precisão.
Quando pulsos de laser de femtosegundo no infravermelho próximo com diferentes padrões de polarização atingem a metassuperfície, o dispositivo gera pulsos toroidais distintos do tipo terahertz. Dependendo da polarização, o vórtice resultante carrega uma textura skyrmion com modo elétrico ou magnético. O mecanismo funciona da mesma forma que selecionar teclas diferentes para produzir resultados diferentes, com um padrão de luz ativando o modo elétrico e o outro o modo magnético.
“A principal inovação é uma metassuperfície não linear que converte pulsos de laser de femtossegundos no infravermelho próximo em pulsos de luz toroidais especiais de terahertz”, 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 usar elementos ópticos simples, como placas de onda e retardadores de vórtice para controlar o padrão de polarização do laser de entrada, podemos criar um dispositivo compacto que pode alternar ativamente entre dois estados topológicos diferentes de luz.”
Medição e verificação da comutação skyrmion
Para testar o funcionamento do sistema, a equipe montou uma instalação de medição ultrarrápida de terahertz que lhes permitiu observar um pulso de luz viajando pelo espaço. Em vez de confiar em uma única medição, eles examinaram o pulso em vários locais 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 os dois modos do skyrmion. Os pesquisadores também usaram medições de precisão para avaliar o desempenho, confirmando o comportamento robusto da comutação juntamente com a alta pureza de cada modo.
Olhando para o futuro, a equipe planeja refinar a tecnologia para aplicações orientadas à comunicação. O trabalho futuro centrar-se-á na melhoria da estabilidade, repetibilidade e eficiência a longo prazo, bem como em tornar o sistema mais pequeno e mais robusto. Eles também procuram estender a abordagem além dos dois modos, adicionando estados controlados adicionais que permitirão uma codificação de informações mais complexa e flexível.
