Um metadispositivo para controlar dinamicamente as frentes de onda THz girando camadas de metassuperfícies em cascata. Crédito:Universidade de Xangai
Ondas eletromagnéticas (EM) no regime terahertz (THz) contribuem para aplicações importantes nas comunicações, imagem de segurança, e sensoriamento bio e químico. Essa ampla aplicabilidade resultou em um progresso tecnológico significativo. Contudo, devido às fracas interações entre os materiais naturais e as ondas THz, dispositivos THz convencionais são tipicamente volumosos e ineficientes. Embora existam dispositivos THz ultracompactos ativos, as abordagens eletrônicas e fotônicas atuais para o controle dinâmico carecem de eficiência.
Recentemente, desenvolvimentos rápidos em metassuperfícies abriram novas possibilidades para a criação de alta eficiência, dispositivos THz ultracompactos para controle dinâmico de frente de onda. Metamateriais ultrafinos formados por microestruturas planas de comprimento de onda (isto é, meta-átomos), As metassuperfícies permitem respostas ópticas personalizadas para o controle das frentes de onda EM. Ao construir metassuperfícies que possuem certos perfis de fase predefinidos para ondas transmitidas ou refletidas, cientistas demonstraram efeitos fascinantes de manipulação de ondas, como deflexão de luz anômala, manipulação de polarização, spin-Hall fotônico, e hologramas.
Além disso, integrar elementos ativos com metaátomos individuais dentro de metassuperfícies passivas permite metadispositivos 'ativos' que podem manipular dinamicamente as frentes de onda EM. Enquanto os elementos ativos em comprimentos de sub-onda profundos são facilmente encontrados no regime de microondas (por exemplo, Diodos e varactores PIN), e contribuir com sucesso para metadispositivos ativos para direcionamento do feixe, hologramas programáveis, e imagem dinâmica, eles são difíceis de criar em frequências mais altas do que THz. Essa dificuldade se deve a restrições de tamanho e perdas ôhmicas significativas em circuitos eletrônicos. Embora as frequências THz possam controlar os feixes THz de maneira uniforme, eles normalmente são incapazes de manipular dinamicamente as frentes de onda THz. Em última análise, isso se deve às deficiências nas capacidades de sintonia local em escalas profundas de comprimento de onda sub-onda neste domínio de frequência. Portanto, o desenvolvimento de novas abordagens que contornem a dependência do ajuste local é uma prioridade.
Demonstração do metadispositivo dinâmico de direção do feixe:(a) Esquemas do metadispositivo, que consiste em duas camadas de metassuperfícies transmissivas alinhadas por um estágio de rotação motorizada. (b) Vista superior (esquerda) e (c) vista inferior (direita) Imagens SEM do metadispositivo fabricado. (d) Esquemas da configuração experimental mostrada para caracterizar o meta-dispositivo. (e) Experimental e (f) distribuições de potência de espalhamento de campo distante simulado com o metadispositivo iluminado por uma luz LCP em 0,7 THz, e evoluindo ao longo do Caminho I em diferentes instantes de tempo. (g) Evolução das direções de onda transmitidas na direção da esfera k conforme o metadispositivo se move ao longo do Caminho I e do Caminho II, com linha sólida (símbolos de estrela) denotando os resultados simulados (experimentais). Aqui, a região azul denota o ângulo sólido para cobertura de direção do feixe. Crédito:X. Cai et al.
Conforme relatado em Fotônica Avançada , pesquisadores da Universidade de Xangai e da Universidade de Fudan desenvolveram uma estrutura geral e metadispositivos para alcançar o controle dinâmico das frentes de onda THz. Em vez de controlar localmente os meta-átomos individuais em uma metassuperfície THz (por exemplo, via diodo PIN, varactor, etc.), eles variam a polarização de um feixe de luz com metassuperfícies em cascata de multicamadas rotativas. Eles demonstram que a rotação de camadas diferentes (cada uma exibindo um perfil de fase específico) em um metadispositivo em cascata em diferentes velocidades pode alterar dinamicamente a propriedade efetiva da matriz de Jones de todo o dispositivo, alcançando manipulações extraordinárias das características de frente de onda e polarização de feixes THz. Dois metadispositivos são demonstrados:o primeiro metadispositivo pode redirecionar com eficiência um feixe THz normalmente incidente para fazer a varredura em uma ampla faixa de ângulo sólido, enquanto o segundo pode manipular dinamicamente a frente de onda e a polarização de um feixe THz.
Este trabalho propõe uma alternativa atraente para o controle dinâmico de ondas THz de baixo custo. Os pesquisadores esperam que o trabalho inspire futuras aplicações no radar THz, bem como sensoriamento bioquímico e imagem.
