La metasuperficie reconfigurable dirige la luz incoherente en menos de un picosegundo

A partir de los últimos avances en metasuperficies y nanofotónica, investigadores estadounidenses han diseñado una nueva fuente de luz que puede dirigir haces de luz incoherente en escalas de tiempo ultracortas. Desarrollado por Igal Brener y colegas de Sandia National Laboratories en Nuevo México, la fuente presenta una metasuperficie reconfigurable que está incrustada con puntos cuánticos. Con un mayor desarrollo, el concepto podría usarse para mejorar las pantallas de realidad virtual, sensores para vehículos autónomos y sistemas de iluminación.

Una metasuperficie óptica comprende un patrón de pequeños componentes, cada uno de los cuales interactúa con la luz. Las propiedades ópticas de una metasuperficie surgen del efecto colectivo de estos componentes y las metasuperficies se pueden utilizar para crear componentes ópticos útiles, como lentes planas. Las metasuperficies reconfigurables tienen propiedades ópticas que se pueden cambiar de manera controlada, abriendo aún más aplicaciones posibles.

Recientemente, los investigadores han creado metasuperficies reconfigurables que pueden dirigir la luz láser en direcciones específicas. Esto fue posible porque la luz láser es coherente: toda la luz está en fase y en la misma longitud de onda.

Sin embargo, esta dirección del haz no se ha logrado para la luz incoherente que emiten las fuentes cotidianas, como los LED y las bombillas incandescentes. “Actualmente, no existe ningún 'dispositivo' que pueda emitir luz como un LED y dirigir dinámicamente la emisión en una dirección particular al mismo tiempo”, explica Brener.

Puntos cuánticos

En su estudio, el equipo de Sandia abordó esta deficiencia al diseñar una nueva metasuperficie. Su diseño presenta una metasuperficie incrustada de puntos cuánticos colocada en un espejo refractivo de Bragg. Este es un espejo que se compone de múltiples capas dispuestas periódicamente con índices de refracción variables. Un espejo de Bragg refleja la luz en una banda estrecha de longitudes de onda, mientras deja pasar otra luz.

Cada punto cuántico emite luz incoherente y, en sus experimentos, el equipo de Brener observó que la metasuperficie provocaba que la luz incoherente de los puntos cuánticos sufriera cambios de fase. Estos cambios impiden que la luz se extienda en una amplia gama de ángulos y, en cambio, hacen que gran parte de la luz se propague en una dirección.

La dirección de propagación de la luz se controla disparando dos pulsos de láser diferentes en la metasuperficie. Un pulso modifica temporalmente el índice de refracción de la metasuperficie, mientras que el otro pulso hace que los puntos cuánticos emitan luz. Es esta modificación la que dirige la luz emitida.

"Pudimos dirigir la emisión incoherente de los puntos cuánticos incrustados en la metasuperficie en un rango de 70 grados", explica Brener. Además, la luz se puede dirigir en escalas de tiempo de menos de picosegundos.

Brener señala que el diseño es principalmente una prueba de concepto por ahora, con mucho espacio para futuras mejoras. “En un dispositivo final, este patrón tendría que ser reconfigurado eléctricamente, para que al final tengas una combinación de un LED y varios otros contactos para reprogramar el ángulo de emisión”, dice.

Se necesita más desarrollo

El equipo reconoce que es probable que aún falten varios años para la comercialización de su tecnología. Sin embargo, según los resultados que han logrado hasta ahora, esperan que otros investigadores comiencen a pensar en la amplia gama de tecnologías que podrían beneficiarse de la manipulación controlada de la luz incoherente.

La metasuperficie de microondas se reconfigura utilizando motores paso a paso

“Tal vez este tipo de dispositivo podría reemplazar a los láseres orientables”, dice Brener, y agrega que podría usarse para reducir el consumo de energía en los sistemas de iluminación.

Otras posibles aplicaciones incluyen pantallas pequeñas que pueden proyectar imágenes holográficas directamente en el ojo utilizando LED de bajo consumo. Esto sería particularmente útil para los dispositivos de realidad virtual y aumentada, haciéndolos mucho más simples y económicos que los sistemas basados ​​en láser. En otros lugares, la metasuperficie podría ser útil en la teledetección. Esto incluye los sistemas LIDAR utilizados por los vehículos autónomos para visualizar su entorno.

La investigación se describe en Nature Photonics.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/reconfigurable-metasurface-steers-incoherent-light-in-less-than-a-picosecond/