Uma fonte de luz polarizada circularmente ultracompacta é um componente crucial para as aplicações de processamento de informações de óptica clássica e quântica. O desenvolvimento deste campo conta com o avanço de dois campos:materiais quânticos e cavidades ópticas quirais. As abordagens convencionais para fotoluminescência polarizada circularmente sofrem de emissão de banda larga incoerente, DOP limitado e grandes ângulos de radiação. Suas aplicações práticas são limitadas pela baixa eficiência e desperdício de energia para direção de emissão e direção indesejada. Os microlasers quirais podem ter grandes DOPs e saída direcional, mas apenas em faixas de potência específicas. Mais importante ainda, seus desempenhos abaixo do limiar despencam significativamente. Até agora, a estratégia de controle simultâneo da emissão espontânea quiral e do laser quiral ainda está ausente.
Em um novo artigo publicado na Science , pesquisadores do Harbin Institute of Technology e da Australian National University empregam a física de estados quase ligados quirais no continuum (BICs) e demonstram a emissão eficiente e controlável de luz circularmente polarizada de metasuperfícies ressonantes.

BICs com carga topológica inteira no espaço de momento e um fator Q teoricamente infinito têm sido explorados para muitas aplicações, incluindo óptica não linear e laser. Ao introduzir assimetria no plano, os BICs tornam-se quase-BICs com fatores Q finitos, mas ainda altos. Curiosamente, a carga topológica inteira do modo BICs se dividiria em duas cargas meio inteiras, que se distribuem simetricamente no espaço de momento e correspondem aos estados de polarização circulares à esquerda e à direita, também conhecidos como pontos C.

Nos pontos C, a luz incidente com um estado de polarização circular pode ser acoplada às nanoestruturas e produzir campos eletromagnéticos locais dramaticamente aprimorados. O outro estado de polarização é desacoplado e quase perfeitamente transmitido. Tais características são bem conhecidas, mas raramente aplicadas às emissões de luz. "Isso ocorre principalmente porque os pontos C geralmente se desviam da parte inferior da banda. Eles têm um fator Q relativamente baixo e não podem ser excitados por ações de laser", diz Zhang.

Para realizar a emissão de luz quiral, um passo fundamental é combinar a densidade local de estados com a quiralidade intrínseca nos pontos C. Se um ponto C for deslocado para o fundo da banda, o fator Q do quase-BIC quiral correspondente pode ser máximo. De acordo com a regra de ouro de Fermi, a taxa de radiação de uma emissão espontânea circularmente polarizada é aumentada, enquanto a outra polarização é inibida. Tanto o fator Q quanto a taxa de radiação reduzem drasticamente com o ângulo de emissão. Como resultado, a emissão de luz de alta pureza e altamente direcional pode ser esperada perto do ponto Γ.

"É claro que o outro ponto C pode suportar alta quiralidade semelhante com lateralidade oposta. No entanto, esse ponto também se desvia do fator Q máximo e menos é aprimorado. Portanto, nossa metasuperfície produz apenas uma polarização circular próxima da unidade com alta direcionalidade em torno do normal direção", diz Zhang.

O controle dos pontos C no espaço de momento está intimamente relacionado à maximização da quiralidade na direção normal. Em princípio, a realização da quiralidade refere-se à quebra simultânea de simetrias de reflexão no plano e fora do plano. Nesta pesquisa, a equipe introduziu uma assimetria fora do plano, a inclinação das nanoestruturas. Para uma assimetria no plano, existe uma assimetria fora do plano que pode mover um ponto C para o ponto Γ. "Descobrimos que dois tipos de assimetrias são linearmente dependentes um do outro. Isso torna a otimização da quiralidade na direção normal muito fácil", diz Zhang.

Em experimentos, os pesquisadores fabricaram as metasuperfícies com um processo de ataque de íons reativo inclinado de uma etapa e caracterizaram as emissões. Sob a excitação de um laser de nanossegundos, eles demonstraram com sucesso as emissões quirais com um DOP de 0,98 e um ângulo divergente de campo distante de 1,06 graus. "Nossa fonte de luz circular é realizada com o controle do ponto C no espaço de momento e densidade de estado local. É independente da potência de excitação", diz Zhang. "Esta é a razão pela qual podemos alcançar a alta Q, alta direcionalidade e emissão de polarização circular de alta pureza da emissão espontânea ao laser."

Comparado às abordagens convencionais, o quase-BIC quiral fornece uma maneira de modificar e controlar simultaneamente espectros, padrões de radiação e momento angular de rotação de fotoluminescência e laser sem qualquer injeção de rotação. Essa abordagem pode melhorar o projeto de fontes atuais de luz quiral e aumentar suas aplicações em sistemas fotônicos e quânticos. + Explorar mais

Melhorando a robustez dos estados ligados no continuum com cargas topológicas mais altas