A metasuperfície reconfigurável controla a luz incoerente em menos de um picossegundo

Com base nos últimos avanços em metasuperfícies e nanofotônica, pesquisadores nos EUA projetaram uma nova fonte de luz que pode direcionar feixes de luz incoerente em escalas de tempo ultracurtas. Desenvolvido por Igal Brener e colegas do Sandia National Laboratories no Novo México, a fonte apresenta uma metasuperfície reconfigurável que é incorporada com pontos quânticos. Com mais desenvolvimento, o conceito pode ser usado para melhorar telas de realidade virtual, sensores para veículos autônomos e sistemas de iluminação.

Uma metasuperfície óptica compreende um padrão de componentes minúsculos, cada um dos quais interage com a luz. As propriedades ópticas de uma metasuperfície surgem do efeito coletivo desses componentes e as metasuperfícies podem ser usadas para criar componentes ópticos úteis, como lentes planas. As metasuperfícies reconfiguráveis ​​têm propriedades ópticas que podem ser alteradas de forma controlada, abrindo ainda mais aplicações possíveis.

Recentemente, os pesquisadores criaram metasuperfícies reconfiguráveis ​​que podem orientar a luz do laser em direções específicas. Isso foi possível porque a luz do laser é coerente – toda a luz está em fase e no mesmo comprimento de onda.

No entanto, esse direcionamento do feixe não foi alcançado para a luz incoerente emitida por fontes cotidianas, como LEDs e lâmpadas incandescentes. “Atualmente, não há nenhum 'dispositivo' que possa emitir luz como um LED e direcionar dinamicamente a emissão em uma direção específica ao mesmo tempo”, explica Brener.

Pontos quânticos

Em seu estudo, a equipe do Sandia abordou essa deficiência projetando uma nova metasuperfície. Seu design apresenta uma metasuperfície incorporada com pontos quânticos posicionada em um espelho refrativo de Bragg. Este é um espelho composto de múltiplas camadas dispostas periodicamente com índices de refração variados. Um espelho de Bragg reflete a luz em uma faixa estreita de comprimentos de onda, enquanto permite a passagem de outra luz.

Cada ponto quântico emite luz incoerente e, em seus experimentos, a equipe de Brener observou que a metasuperfície fazia com que a luz incoerente dos pontos quânticos sofresse mudanças de fase. Essas mudanças impedem que a luz se espalhe em uma ampla gama de ângulos – e, em vez disso, fazem com que grande parte da luz se propague em uma direção.

A direção de propagação da luz é controlada pelo disparo de dois pulsos de laser diferentes na metasuperfície. Um pulso modifica temporariamente o índice de refração da metasuperfície, enquanto o outro pulso faz com que os pontos quânticos emitam luz. É esta modificação que dirige a luz emitida.

“Fomos capazes de direcionar a emissão incoerente de pontos quânticos embutidos na metasuperfície em uma faixa de 70 graus”, explica Brener. Além disso, a luz pode ser direcionada em escalas de tempo subpicossegundos.

Brener aponta que o design é apenas uma prova de conceito por enquanto, com muito espaço para melhorias futuras. “Em um dispositivo final, esse padrão teria que ser reconfigurado eletricamente, para que no final você tenha uma combinação de um LED e vários outros contatos para reprogramar o ângulo de emissão”, diz.

Mais desenvolvimento necessário

A equipe reconhece que a comercialização de sua tecnologia provavelmente ainda levará vários anos. No entanto, com base nos resultados que alcançaram até agora, eles esperam que outros pesquisadores comecem a pensar sobre a ampla gama de tecnologias que poderiam se beneficiar da manipulação controlada de luz incoerente.

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“Talvez esse tipo de dispositivo possa substituir os lasers dirigíveis”, diz Brener, acrescentando que poderia ser usado para reduzir o consumo de energia em sistemas de iluminação.

Outras aplicações possíveis incluem pequenos monitores que podem projetar imagens holográficas diretamente no olho usando LEDs de baixa potência. Isso seria particularmente útil para dispositivos de realidade virtual e aumentada – tornando-os muito mais simples e baratos do que os sistemas baseados em laser. Em outros lugares, a metasuperfície pode ser útil em sensoriamento remoto. Isso inclui os sistemas LIDAR usados ​​por veículos autônomos para visualizar seus arredores.

A pesquisa é descrita em Nature Photonics.

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