Em 1884, um professor e teólogo chamado Edwin Abbott escreveu uma novela chamada Flatland, que conta a história de um mundo povoado por formas bidimensionais sencientes. Embora pretenda ser uma sátira das rígidas normas sociais vitorianas, Flatland há muito fascina matemáticos e físicos e serviu de cenário para muitos experimentos mentais.

Um desses experimentos mentais:como a luz pode ser controlada em duas dimensões?

Quando uma onda de luz é confinada em um plano bidimensional por certos materiais, torna-se algo conhecido como polariton - uma partícula que confunde a distinção entre luz e matéria. Polaritons têm implicações interessantes para o futuro dos circuitos ópticos porque, ao contrário de circuitos integrados eletrônicos, a óptica integrada é difícil de miniaturizar com materiais comumente usados. Polaritons permitem que a luz seja confinada à nanoescala, mesmo potencialmente com a espessura de alguns átomos.

O desafio é, todas as maneiras que temos atualmente para controlar a luz - lentes, guias de ondas, prismas - são tridimensionais.

"A capacidade de controlar e confinar a luz com circuitos ópticos totalmente reprogramáveis ​​é vital para futuros dispositivos nanofotônicos altamente integrados, "disse Michele Tamagnone, um pós-doutorado em Física Aplicada na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson (SEAS).

Agora, Tamagnone e uma equipe de pesquisadores do SEAS desenvolveram componentes ópticos regraváveis ​​para ondas de luz de superfície. A pesquisa foi publicada em Nature Communications .

Em pesquisas anteriores, O time, liderado por Federico Capasso, o Professor Robert L. Wallace de Física Aplicada e Vinton Hayes Pesquisador Sênior em Engenharia Elétrica, demonstrou uma técnica para criar e controlar polaritons capturando luz em um floco de nitreto de boro hexagonal. Neste estudo, os pesquisadores colocaram esses flocos na superfície de um material conhecido como GeSbTe (GST) - os mesmos materiais usados ​​na superfície de CDs regraváveis ​​e discos Blu-ray.

"A propriedade regravável do GST usando pulsos de laser simples permite a gravação, apagamento e reescrita de bits de informação. Usando esse princípio, criamos lentes, prismas e guias de onda, escrevendo-os diretamente na camada de material, "disse Xinghui Yin, um pós-doutorado na SEAS e co-primeiro autor do estudo.

As lentes e prismas neste material não são objetos tridimensionais como em nosso mundo, mas sim formas bidimensionais, como estariam em Flatland. Em vez de ter uma lente semisférica, os polaritons no material Flatland-esc passam por um semicírculo plano de material refrator que age como uma lente. Em vez de viajar através de um prisma, eles viajam através de um triângulo e em vez de fibras ópticas, os polaritons se movem por uma linha simples, que orienta as ondas ao longo de um caminho predefinido.

Usando uma técnica conhecida como microscopia de campo próximo, que permite a geração de imagens de características muito menores do que o comprimento de onda da luz, os pesquisadores foram capazes de ver esses componentes em funcionamento. Eles também demonstraram pela primeira vez que é possível apagar e reescrever os componentes óticos que eles criaram.

"Esta pesquisa pode levar a novos chips para aplicações como sensoriamento químico de molécula única, uma vez que os polaritons em nossos dispositivos regraváveis ​​correspondem a frequências na região do espectro onde as moléculas têm suas impressões digitais de absorção reveladoras, "disse Capasso.