p Imagine ser capaz de moldar um pulso de luz de qualquer maneira concebível - comprimindo-o, esticando-o, dividindo em dois, mudando sua intensidade ou alterando a direção de seu campo elétrico. p O controle das propriedades dos pulsos de luz ultrarrápidos é essencial para o envio de informações por circuitos ópticos de alta velocidade e para a sondagem de átomos e moléculas que vibram milhares de trilhões de vezes por segundo. Mas o método padrão de modelagem de pulso - usando dispositivos conhecidos como moduladores de luz espacial - é caro, volumoso e sem o controle preciso que os cientistas cada vez mais precisam. Além disso, esses dispositivos são normalmente baseados em cristais líquidos que podem ser danificados pelos mesmos pulsos de luz laser de alta intensidade para os quais foram projetados.

p Agora, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e do NanoCenter da Universidade de Maryland em College Park desenvolveram um método novo e compacto de esculpir luz. Eles primeiro depositaram uma camada de silício ultrafino no vidro, apenas algumas centenas de nanômetros (bilionésimos de metro) de espessura, e então cobriu uma série de milhões de minúsculos quadrados de silício com um material protetor. Ao gravar o silício em torno de cada quadrado, a equipe criou milhões de pequenos pilares, que desempenhou um papel fundamental na técnica de escultura leve.

p O apartamento, dispositivo ultrafino é um exemplo de metassuperfície, que é usado para alterar as propriedades de uma onda de luz viajando através dele. Ao projetar cuidadosamente a forma, Tamanho, densidade e distribuição dos nanopilares, múltiplas propriedades de cada pulso de luz agora podem ser adaptadas simultaneamente e independentemente com precisão em nanoescala. Essas propriedades incluem a amplitude, fase e polarização da onda.

p Uma onda de luz, um conjunto de campos elétricos e magnéticos oscilantes orientados em ângulos retos entre si, tem picos e vales semelhantes a uma onda do mar. Se você está no oceano, a frequência da onda é a frequência com que os picos ou vales passam por você, a amplitude é a altura das ondas (do vale ao pico), e a fase é onde você está em relação aos altos e baixos.

p "Descobrimos como manipular de forma independente e simultânea a fase e a amplitude de cada componente de frequência de um pulso de laser ultrarrápido, "disse Amit Agrawal, do NIST e do NanoCenter. "Para alcançar isto, usamos conjuntos cuidadosamente projetados de nanopilares de silício, um para cada cor constituinte do pulso, e um polarizador integrado fabricado na parte de trás do dispositivo. "

p Quando uma onda de luz viaja através de um conjunto de nanopilares de silício, a onda diminui em comparação com sua velocidade no ar e sua fase é atrasada - o momento em que a onda atinge seu próximo pico é um pouco mais tarde do que o momento em que a onda teria atingido seu próximo pico no ar. O tamanho dos nanopilares determina a quantidade de mudança de fase, enquanto a orientação dos nanopilares muda a polarização da onda de luz. Quando um dispositivo conhecido como polarizador é conectado à parte traseira do silício, a mudança na polarização pode ser traduzida em uma mudança correspondente na amplitude.

p Alterando a fase, amplitude ou polarização de uma onda de luz de uma maneira altamente controlada pode ser usada para codificar informações. O rápido, mudanças bem ajustadas também podem ser usadas para estudar e alterar o resultado de processos químicos ou biológicos. Por exemplo, alterações em um pulso de luz de entrada podem aumentar ou diminuir o produto de uma reação química. Dessas maneiras, o método nanopilar promete abrir novas perspectivas no estudo de fenômenos ultrarrápidos e comunicação de alta velocidade.

p Agrawal, junto com Henri Lezec do NIST e seus colaboradores, descreva as descobertas online hoje no jornal Ciência .

p "Queríamos estender o impacto das metassuperfícies além de sua aplicação típica - mudando a forma de uma frente de onda óptica espacialmente - e usá-las para mudar como o pulso de luz varia no tempo, "disse Lezec.

p Um pulso de luz laser ultrarrápido típico dura apenas alguns femtossegundos, ou um milésimo de um trilionésimo de segundo, muito curto para qualquer dispositivo moldar a luz em um determinado instante. Em vez de, Agrawal, Lezec e seus colegas desenvolveram uma estratégia para moldar os componentes de frequência individuais ou cores que compõem o pulso, primeiro separando a luz nesses componentes com um dispositivo óptico chamado rede de difração.

p Cada cor tem uma intensidade ou amplitude diferente - semelhante à maneira como um sobretom musical é composto de muitas notas individuais com volumes diferentes. Quando direcionado para a superfície de silício gravada por nanopilar, diferentes componentes de frequência atingiram diferentes conjuntos de nanopilares. Cada conjunto de nanopilares foi adaptado para alterar a fase, intensidade ou orientação do campo elétrico (polarização) dos componentes de uma maneira particular. Uma segunda rede de difração então recombinou todos os componentes para criar o pulso recém-formado.

p Os pesquisadores projetaram seu sistema nanopilar para funcionar com pulsos de luz ultrarrápidos (10 femtossegundos ou menos, equivalente a um centésimo de um trilionésimo de segundo) composto por uma ampla gama de componentes de frequência que abrangem comprimentos de onda de 700 nanômetros (luz vermelha visível) a 900 nanômetros (infravermelho próximo). Ao alterar simultânea e independentemente a amplitude e a fase desses componentes de frequência, os cientistas demonstraram que seu método pode comprimir, dividir e distorcer os pulsos de maneira controlável.

p Refinamentos adicionais no dispositivo darão aos cientistas controle adicional sobre a evolução temporal dos pulsos de luz e podem permitir aos pesquisadores modelar em detalhes requintados linhas individuais em um pente de frequência, uma ferramenta precisa para medir as frequências de luz usadas em dispositivos como relógios atômicos e para identificar planetas ao redor de estrelas distantes.