Uma metassuperfície usa luz polarizada circularmente para gerar e controlar novos e complexos estados de luz, esses vórtices rodopiantes de luz. A nova ferramenta pode ser usada não apenas para explorar novos estados de luz, mas também novos aplicativos para luz estruturada. Crédito:Second Bay Studio / Harvard SEAS
Não há nada novo sob o sol - exceto talvez a própria luz.
Na última década, físicos aplicados desenvolveram materiais nanoestruturados que podem produzir estados completamente novos de luz exibindo comportamento estranho, como dobrar em espiral, saca-rolhas e dividindo-se como um garfo.
Esses chamados feixes estruturados não só podem dizer aos cientistas muito sobre a física da luz, eles têm uma ampla gama de aplicações, desde imagens de super-resolução até manipulação molecular e comunicações.
Agora, pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson desenvolveram uma ferramenta para gerar novos, estados de luz mais complexos de uma maneira completamente diferente.
A pesquisa é publicada em Ciência .
"Desenvolvemos uma metassuperfície que é uma nova ferramenta para estudar novos aspectos da luz, "disse Federico Capasso, Robert L. Wallace Professor de Física Aplicada e Vinton Hayes Pesquisador Sênior em Engenharia Elétrica na SEAS e autor sênior do artigo. "Este componente óptico possibilita operações muito mais complexas e permite aos pesquisadores não apenas explorar novos estados de luz, mas também novas aplicações para luz estruturada."
Uma metassuperfície pode gerar novos feixes de luz estranhos que giram em espiral. O buraco negro no centro desses vórtices pode ser usado para criar imagens com menos de meio comprimento de onda de luz ou mover moléculas minúsculas. Crédito:Capasso Lab / Harvard SEAS
O Harvard Office of Technology Development protegeu a propriedade intelectual relativa a este projeto e está explorando oportunidades de comercialização.
A nova metassuperfície conecta dois aspectos da luz, conhecido como momento angular orbital e polarização circular (ou momento angular de rotação). Polarização é a direção ao longo da qual a luz vibra. Em luz polarizada circularmente, a vibração da luz traça um círculo. Pense no momento angular orbital e na polarização circular como o movimento de um planeta. A polarização circular é a direção na qual um planeta gira em seu eixo enquanto o momento orbital descreve como o planeta orbita o sol.
O fato de que a luz pode até carregar o momento orbital é uma descoberta relativamente recente - apenas cerca de 25 anos? - mas é esta propriedade da luz que produz novos estados estranhos, como vigas em forma de saca-rolhas.
Pesquisas anteriores usaram a polarização da luz para controlar o tamanho e a forma desses feixes exóticos, mas a conexão era limitada porque apenas certas polarizações podiam converter para certos momentos orbitais.
Essa pesquisa, Contudo, expande significativamente essa conexão.
"Esta metassuperfície fornece a conexão mais geral, através de um único dispositivo, entre o momento orbital e a polarização da luz que foi alcançada até agora, "disse Robert Devlin, co-primeiro autor do artigo e ex-aluno de graduação do Laboratório Capasso.
Luz estruturada, como a viga saca-rolhas acima, pode dizer aos cientistas muito sobre a física da luz e tem uma ampla gama de aplicações, desde imagens de super resolução até manipulação molecular e comunicações. Crédito:Capasso Lab / Harvard SEAS
O dispositivo pode ser projetado de forma que qualquer polarização de luz de entrada possa resultar em qualquer saída de momento angular orbital - o que significa que qualquer polarização pode produzir qualquer tipo de luz estruturada, de espirais e saca-rolhas a vórtices de qualquer tamanho. E, o dispositivo multifuncional pode ser programado de forma que uma polarização resulte em um vórtice e uma polarização diferente resulte em um vórtice completamente diferente.
"Este é um componente óptico completamente novo, "disse Antonio Ambrosio, Cientista principal do Harvard Center for Nanoscale Systems (CNS) e co-autor do artigo. "Algumas metassuperfícies são iterações ou mais eficientes, versões mais compactas de dispositivos ópticos existentes, mas, esta conversão arbitrária de spin para orbital não pode ser feita com nenhum outro dispositivo óptico. Não há nada na natureza que possa fazer isso e produzir esses estados de luz. "
Uma aplicação potencial está no domínio da manipulação molecular e pinças ópticas, que usam luz para mover moléculas. O momento orbital da luz é forte o suficiente para fazer as partículas microscópicas girarem e se moverem.
"Você pode imaginar, se iluminarmos o dispositivo com uma polarização de luz, vai criar uma força de um tipo particular, "disse Ambrosio." Então, se você quiser mudar a força, tudo o que você precisa fazer é mudar a polarização da luz que entra. A força está diretamente relacionada ao design do dispositivo. "
Outra aplicação é a geração de imagens de alta potência. O buraco negro no centro do vórtice, conhecida como a região de intensidade de luz zero, pode recursos de imagem menores do que o limite de difração, que geralmente é a metade do comprimento de onda da luz. Ao mudar a polarização da luz, o tamanho desta região central pode ser alterado para focar recursos de tamanhos diferentes.
Mas esses feixes também podem lançar luz sobre questões fundamentais da física.
"Esses feixes específicos são, antes de mais nada, de interesse científico fundamental, "disse Noah Rubin, co-primeiro autor do artigo e aluno de pós-graduação no Laboratório Capasso. "Há interesse nesses feixes em óptica quântica e informações quânticas. Do lado mais aplicado, esses feixes podem encontrar aplicação na comunicação óptica do espaço livre, especialmente em ambientes de dispersão, onde isso geralmente é difícil. Além disso, recentemente foi mostrado que elementos semelhantes podem ser incorporados a lasers, produzindo diretamente esses novos estados de luz. Isso pode levar a aplicativos imprevistos. "
