Os efeitos não lineares eletromagnéticos e ópticos fornecem uma plataforma importante em um amplo espectro de tecnologias, incluindo geração de alta harmônica, conversões de soma e diferença de frequência, auto-foco, solitons ópticos, e absorção de multi-fótons. Quando iluminado por alta intensidade de luz, as propriedades do material são modificadas dependendo das amplitudes de campo eletromagnético aplicadas, e o processo não linear é bastante aprimorado durante a interação entre a luz e os materiais, dando origem a componentes espectrais em novas frequências. Embora enormes avanços para manipulações não lineares tenham sido alcançados nos últimos anos, a eficiência geral da conversão de frequência ainda permanece muito baixa.

Metamateriais, que geralmente são constituídos por matrizes periódicas ou não periódicas espacialmente distribuídas de ressonadores de sub-comprimento de onda, têm sido demonstrados como uma ferramenta poderosa para alterar as respostas das ondas eletromagnéticas incidentes. Ao otimizar as geometrias dos elementos e seus alinhamentos espaciais, os metamateriais são fáceis de criar propriedades altamente personalizáveis ​​que podem ser exploradas em uma ampla variedade de aplicações, como imagens de super-resolução, camuflagem ótica, e novas antenas. As características não lineares dos metamateriais exibiram potenciais emergentes para conversões de frequência devido aos campos locais induzidos ao redor dos ressonadores. Contudo, a taxa de conversão não é satisfatória, especialmente sob a excitação de pequenos sinais.

Em um novo artigo publicado no National Science Review , cientistas do Laboratório Estadual de Ondas Milimétricas em Nanjing, China, o Laboratório Nacional de Pesquisa em Comunicação Móvel em Nanjing, China, e a Photonics Initiative, Centro de Pesquisa Científica Avançada em Nova York, NÓS, apresentam os últimos avanços na manipulação de harmônicos não lineares com uma metassuperfície de codificação digital no domínio do tempo programável. Eles descobriram que a metassuperfície com refletividade variável no tempo pode responder ao portador de excitação de forma não linear de uma maneira forte, com a intensidade harmônica dependente da sequência de codificação digital da amplitude e fase de reflexão.

Esses cientistas resumem os detalhes da teoria e do método de design da metassuperfície, e a futura aplicação desta tecnologia.

Os autores escrevem, "Inspirado por metassuperfícies de codificação digital de domínio espacial, empregamos estratégias de modulação complexas para adaptar as interações onda-matéria e o espectro de frequência simultaneamente, em que os estados de fase de reflexão discreta da metassuperfície são controlados pela sequência de codificação digital. Demonstramos que processos não lineares fortes são ativados pela modulação temporal de ondas incidentes na metassuperfície com controles precisos de distribuições de amplitude e fase para todos os harmônicos. "

A metassuperfície é composta por elementos de codificação periódicos carregados com diodos varator. "Impulsionado por diferentes combinações de tensões de saída de um field programmable gate array (FPGA), nossa metassuperfície pode implementar muitas funções, controlando os estados de codificação digital no domínio do tempo, " eles escrevem.

"Como exemplo de aplicações, exploramos a implementação de um novo sistema de comunicação sem fio de chaveamento de frequência binária (BFSK), que simplifica altamente as arquiteturas heteródinas clássicas para sistemas de rede sem fio. No sistema BFSK proposto, as duas frequências portadoras básicas são sintetizadas diretamente através da metassuperfície, sem usar conversor analógico-digital complicado e filtros de micro-ondas, misturadores, e amplificadores, apresentando grandes vantagens em termos de simplicidade e eficiência, "acrescentam.

"O conceito e método propostos abrem caminho para sistemas de comunicação e radar simplificados e compactos para uma ampla faixa de frequência, de acústica a microondas e óptica, "os cientistas previram.

As intensidades espectrais calculadas dos harmônicos de saída sob diferentes modulações PM. (a-b), Codificação PM de 1 bit 01010101 ... com o comprimento da sequência de codificação M =2 e o período de reflexão T =1μs. (CD), Codificação PM de 2 bits 00-01-00-01 -... com M =2 e T =1μs. (e-f), Codificação PM de 2 bits 00-01-10-11 -... com M =4 e T =2μs. g-h, Codificação PM de 2 bits 11-10-01-00 -... com M =4 e T =2μs.