Um esquema pictórico representa a estrutura e a ação de uma metassuperfície plasmônica nanopadronizada que modula a luz polarizada em frequências terahertz. Um pulso de laser ultracurto (verde) excita estruturas plasmônicas em forma de cruz, que giram a polaridade de um segundo pulso de luz (branco) que chega menos um picossegundo após o primeiro. Crédito:A. Assié
Engenheiros americanos e italianos demonstraram a primeira plataforma nanofotônica capaz de manipular a luz polarizada 1 trilhão de vezes por segundo.
"A luz polarizada pode ser usada para codificar bits de informação, e mostramos que é possível modular essa luz em frequências terahertz, "disse Alessandro Alabastri da Rice University, co-autor correspondente de um estudo publicado esta semana em Nature Photonics .
"Isso poderia ser potencialmente usado em comunicações sem fio, "disse Alabastri, professor assistente de engenharia elétrica e da computação na Escola de Engenharia de Rice da Brown. "Quanto mais alta a frequência operacional de um sinal, mais rápido ele pode transmitir dados. Um terahertz é igual a 1, 000 gigahertz, que é cerca de 25 vezes mais alta do que as frequências de operação das chaves de polarização óptica comercialmente disponíveis. "
A pesquisa foi uma colaboração entre as equipes experimentais e teóricas da Rice, a Universidade Politécnica de Milão (Politécnico) e o Instituto Italiano de Tecnologia (IIT) em Gênova. Esta colaboração começou no verão de 2017, quando o co-autor do estudo, Andrea Schirato, foi um pesquisador visitante no Laboratório Rice do físico e co-autor Peter Nordlander. Schirato é um estudante de graduação conjunta do Politécnico-IIT sob a supervisão do autor co-correspondente Giuseppe Della Valle do Politécnico e co-autor Remo Proietti Zaccaria do IIT.
Cada um dos pesquisadores trabalha com nanofotônica, um campo de rápido crescimento que usa ultrasmall, estruturas projetadas para manipular a luz. A ideia deles para o controle de polarização ultrarrápido era capitalizar em minúsculas, variações fugazes na geração de elétrons de alta energia em uma metassuperfície plasmônica.
Uma imagem de microscópio eletrônico de varredura da metassuperfície plasmônica nanopadronizada que engenheiros da Rice University, a Universidade Politécnica de Milão e o Instituto Italiano de Tecnologia, criado para modular a luz polarizada em frequências terahertz. Crédito:Andrea Toma / IIT
As metassuperfícies são filmes ou folhas ultrafinos que contêm nanopartículas incorporadas que interagem com a luz à medida que ela passa pelo filme. Variando o tamanho, forma e composição das nanopartículas incorporadas e organizando-as em padrões geométricos bidimensionais precisos, os engenheiros podem criar metassuperfícies que dividem ou redirecionam comprimentos de onda específicos de luz com precisão.
"Uma coisa que diferencia isso de outras abordagens é nossa confiança em um mecanismo de banda larga intrinsecamente ultrarrápido que ocorre nas nanopartículas plasmônicas, "Disse Alabastri.
A equipe do Rice-Politecnico-IIT projetou uma metassuperfície que continha fileiras de nanopartículas de ouro em forma de cruz. Cada cruz plasmônica tinha cerca de 100 nanômetros de largura e ressoava com uma frequência de luz específica que dava origem a um campo eletromagnético localizado aprimorado. Graças a este efeito plasmônico, a metassuperfície da equipe era uma plataforma para geração de elétrons de alta energia.
"Quando um pulso de luz laser atinge uma nanopartícula plasmônica, excita os elétrons livres dentro dele, elevando alguns a níveis de alta energia que estão fora de equilíbrio, "Schirato disse." Isso significa que os elétrons estão 'desconfortáveis' e ansiosos para voltar a um estado mais relaxado. Eles voltam ao equilíbrio em um tempo muito curto, menos de um picossegundo. "
Apesar do arranjo simétrico de cruzes na metassuperfície, o estado de não-equilíbrio tem propriedades assimétricas que desaparecem quando o sistema retorna ao equilíbrio. Para explorar este fenômeno ultrarrápido para controle de polarização, os pesquisadores usaram uma configuração de dois laser. Os experimentos realizados pela co-autora do estudo, Margherita Maiuri, nos laboratórios de espectroscopia ultrarrápida do Politécnico - e confirmados pelas previsões teóricas da equipe - usaram um pulso ultracurto de luz de um laser para excitar as cruzes, permitindo-lhes modular a polarização da luz em um segundo pulso que chegou menos de um picossegundo após o primeiro.
"O ponto chave é que poderíamos alcançar o controle da luz com a própria luz, explorando mecanismos eletrônicos ultrarrápidos peculiares das metassuperfícies plasmônicas, ", Disse Alabastri." Projetando adequadamente nossas nanoestruturas, demonstramos uma nova abordagem que potencialmente nos permitirá transmitir opticamente informações de banda larga codificadas na polarização da luz com velocidade sem precedentes. "
