Pesquisadores do Georgia Institute of Technology demonstraram um metamaterial óptico cujas propriedades quirópticas no regime não linear produzem uma mudança espectral significativa com níveis de potência na faixa dos miliwatts.

Os pesquisadores demonstraram recentemente as propriedades de seu metamaterial quiral, em que eles modificaram espectralmente duas ressonâncias absortivas expondo incrementalmente o material a intensidades de potência além de seu regime óptico linear. Com uma mudança de 15 miliwatt na potência de excitação, eles mediram uma mudança espectral de 10 nanômetros nas ressonâncias de transmissão do material e uma rotação de polarização de 14 graus.

Os pesquisadores acreditam que pode ser a rotação óptica não linear mais forte já relatada para um metamaterial quiral, e é cerca de cem mil vezes maior do que a medição atual do registro para este tipo de estrutura. A pesquisa, apoiado pela National Science Foundation e o Air Force Research Laboratory, foi relatado em 27 de fevereiro no jornal Nature Communications .

"Estruturas quirais em nanoescala oferecem uma abordagem para modular sinais ópticos com variações relativamente pequenas na potência de entrada, "disse Sean Rodrigues, um Ph.D. candidato que liderou a pesquisa no laboratório do Professor Associado Wenshan Cai na Escola de Engenharia Elétrica e de Computação da Georgia Tech. "Ver esse tipo de mudança em um material tão fino torna os metamateriais quirópticos uma nova plataforma interessante para modulação de sinal óptico."

Esta modulação de respostas quirópticas de metamateriais pela manipulação de energia de entrada oferece o potencial para novos tipos de óptica ativa, como comutação totalmente óptica e modulação de luz. As tecnologias podem ter aplicações em áreas como processamento de dados, detecção e comunicações.

Os materiais quirais exibem propriedades ópticas que diferem dependendo de suas polarizações circulares opostas. As diferenças entre essas respostas, que são criados pela padronização em nanoescala de materiais absortivos, pode ser utilizado para criar grandes ressonâncias quirópticas. Para ser útil em aplicações como comutação totalmente ótica, essas ressonâncias precisariam ser induzidas por ajuste externo - como variações na entrada de energia.

"Quando você aumenta o poder, você muda o espectro, - disse Rodrigues. - De fato, você muda a transmissão em certos comprimentos de onda, o que significa que você está mudando a quantidade de luz que passa pela amostra simplesmente modificando a potência de entrada. "Para engenheiros ópticos, isso poderia ser a base para uma mudança.

O material demonstrado pelo laboratório de Cai é feito por camadas de nano-padrões de prata - aproximadamente 33 nanômetros de espessura - em substratos de vidro. Entre as camadas de prata cuidadosamente projetadas está uma camada de material dielétrico de 45 nanômetros. Um padrão elíptico é criado usando litografia de feixe de elétrons, então, toda a estrutura é encapsulada dentro de um material dielétrico para evitar a oxidação.

"É a engenharia dessas estruturas que nos dá essas propriedades ópticas quirais, Rodrigues explicou. "O objetivo é realmente aproveitar a discrepância entre uma polarização circular e a outra para criar as ressonâncias de banda larga de que precisamos."

O material opera no espectro do visível ao infravermelho próximo, em aproximadamente 740 para 1, 000 nanômetros. As medidas de rotação óptica e dicroísmo circular foram feitas com o feixe entrando no material em um ângulo de incidência normal.

Os pesquisadores induziram a mudança no dicroísmo circular, aumentando a potência óptica aplicada ao material de 0,5 miliwatts para 15 miliwatts. Embora seja comparativamente baixo consumo de energia para um sistema a laser, tem um fluxo de energia alto o suficiente (transferência de energia no tempo) para instigar a mudança.

"O tamanho do feixe é de aproximadamente 40 mícrons, então é realmente focado, "disse Rodrigues." Estamos colocando muita energia em uma pequena área, o que faz com que o efeito seja bastante intenso. "

Os pesquisadores ainda não sabem o que leva à mudança, mas suspeito que processos térmicos podem estar envolvidos na alteração das propriedades do material para aumentar o dicroísmo circular. Testes mostram que as aplicações de energia não danificam o metamaterial.

O laboratório de Cai tem estudado materiais quirais de diferentes tipos para uma variedade de aplicações ópticas. Em junho de 2015, eles relataram a realização de uma das previsões teóricas de longa data em metamateriais ópticos não lineares:a criação de um material não linear que possui índices de refração opostos nas frequências fundamental e harmônica da luz. Esse material, que não existe naturalmente, havia sido previsto por quase uma década.