Os pesquisadores demonstraram o primeiro laser de metassuperfície do mundo que produz "luz superquiral":luz com momento angular ultra-alto. A luz desse laser pode ser usada como um tipo de "chave óptica" para ou para codificar informações em comunicações ópticas.

"Porque a luz pode ter um momento angular, isso significa que isso pode ser transferido para a matéria. Quanto mais a luz de momento angular carrega, mais ele pode transferir. Então você pode pensar na luz como uma 'chave ótica', "Professor Andrew Forbes da Escola de Física da Universidade de Witwatersrand (Wits) em Joanesburgo, África do Sul, quem liderou a pesquisa. "Em vez de usar uma chave física para torcer as coisas (como porcas aparafusadas), agora você pode iluminar a porca e ela se apertará sozinha. "

O novo laser produz uma nova "luz torcida" de alta pureza não observada em lasers antes, incluindo o maior momento angular relatado por um laser. Simultaneamente, os pesquisadores desenvolveram uma metassuperfície nanoestruturada que possui o maior gradiente de fase já produzido e permite operação de alta potência em um design compacto. A implicação é um laser mundial para a produção de estados exóticos de luz estruturada torcida, sob demanda.

Nature Photonics publicou hoje online a pesquisa que foi feita como uma colaboração entre a Wits e o Conselho de Pesquisa Científica e Industrial (CSIR) na África do Sul, Harvard University (EUA), a Universidade Nacional de Cingapura (Cingapura), Vrije Universiteit Brussel (Bélgica) e CNST — Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia Via Giovanni Pascoli (Itália).

Em seu artigo intitulado:Estados de momento angular orbital de alta pureza a partir de um laser metassuperficial visível, os pesquisadores demonstram um novo laser para produzir qualquer estado quiral de luz desejado, com controle total sobre os componentes do momento angular (AM) da luz, o spin (polarização) e o momento angular orbital (OAM) da luz.

O design do laser é possível graças ao controle completo oferecido pela nova metassuperfície nanométrica (1000 vezes menor que a largura de um cabelo humano) - projetada pelo grupo Harvard - dentro do laser. A metassuperfície é composta de muitos bastonetes minúsculos de nanomaterial, que altera a luz à medida que ela passa. A luz passa pela metassuperfície muitas vezes, recebendo uma nova reviravolta toda vez que o faz.

"O que o torna especial é que a luz, o material tem propriedades impossíveis de encontrar na natureza, e por isso é chamado de "metamaterial" - um material de faz de conta. Como as estruturas eram tão pequenas, elas aparecem apenas na superfície para formar uma metassuperfície. "

O resultado é a geração de novas formas de luz quiral não observadas de lasers até agora, e controle completo da quiralidade da luz na fonte, fechando um desafio aberto.

"Há um forte impulso no momento para tentar controlar a matéria quiral com luz distorcida, e para que isso funcione você precisa de luz com uma variação muito alta:luz superquiral, ", diz Forbes. Vários setores e campos de pesquisa exigem luz superquiral para melhorar seus processos, incluindo a comida, indústrias de informática e biomédica.

"Podemos usar esse tipo de luz para acionar as engrenagens opticamente onde os sistemas físico-mecânicos não funcionariam, como em sistemas microfluídicos para direcionar o fluxo, "diz Forbes." Usando este exemplo, o objetivo é administrar medicamentos em um chip em vez de em um grande laboratório, e é popularmente chamado de Lab-on-a-Chip. Porque tudo é pequeno, a luz é usada para o controle:para mover e classificar as coisas, como células boas e ruins. A luz torcida é usada para acionar as micro-engrenagens para manter o fluxo, e imitar centrífugas com luz. "

O desafio quiral

"Quiralidade" é um termo freqüentemente usado em química para descrever compostos que são encontrados como imagens espelhadas uns dos outros. Esses compostos têm uma "lateralidade" e podem ser considerados canhotos ou destros. Por exemplo, sabores de limão e laranja são o mesmo composto químico, mas apenas diferem em sua "lateralidade".

A luz também é quiral, mas tem duas formas:o spin (polarização) e o OAM. Spin AM é semelhante a planetas girando em torno de seu próprio eixo, enquanto OAM é semelhante a planetas orbitando o sol.

"Controlar a quiralidade da luz na fonte é uma tarefa desafiadora e altamente tópica por causa das muitas aplicações que exigem isso, do controle óptico da matéria quiral, à metrologia, para comunicações, "diz Forbes." Controle quiral completo implica controle de todo o momento angular da luz, polarização e OAM. "

Por causa das restrições de design e impedimentos de implementação, apenas um subconjunto muito pequeno de estados quirais foi produzido até o momento. Esquemas engenhosos foram concebidos para controlar a helicidade (a combinação de rotação e movimento linear) de feixes OAM, mas eles também permanecem restritos a este conjunto simétrico de modos. Não foi possível escrever algum estado quiral de luz desejado e fazer com que um laser o produzisse, até agora.

Laser de metassuperfície

O laser usou uma metassuperfície para imbuir luz com um momento angular ultra-alto, dando-lhe uma "torção" sem precedentes em sua fase, ao mesmo tempo que controla a polarização. Por controle de momento angular arbitrário, a simetria spin-órbita padrão poderia ser quebrada, para o primeiro laser produzir controle de momento angular total da luz na fonte.

A metassuperfície foi construída a partir de nanoestruturas cuidadosamente elaboradas para produzir o efeito desejado, e é a estrutura OAM mais extrema fabricada até agora, com o maior gradiente de fase já relatado. A resolução nanométrica da metassuperfície tornou possível um vórtice de alta qualidade com baixa perda e um alto limiar de dano, tornando o laser possível.

O resultado foi um laser que poderia causar estados de OAM de 10 e 100 simultaneamente para o maior AM relatado de um laser até o momento. No caso especial em que a metassuperfície é configurada para produzir estados simétricos, o laser então produz todos os estados OAM anteriores relatados a partir de lasers de luz estruturados personalizados.

Daqui para frente

"O que achamos particularmente interessante é que nossa abordagem se presta a muitas arquiteturas de laser. Por exemplo, poderíamos aumentar o volume de ganho e o tamanho da metassuperfície para produzir um laser em massa para alta potência, ou podemos encolher o sistema em um chip usando um design de metassuperfície monolítico, "diz Forbes.

"Em ambos os casos, o modo de laser seria controlado pela polarização da bomba, não requerendo nenhum elemento intracavitário além da própria metassuperfície. Nosso trabalho representa um passo importante para fundir a pesquisa em lasers em massa com a de dispositivos on-chip. "