Engenheiros americanos e italianos demonstraram a primeira plataforma nanofota´nica capaz de manipular a luz polarizada 1 trilha£o de vezes por segundo.

"A luz polarizada pode ser usada para codificar bits de informação e mostramos que épossí­vel modular essa luz em frequências terahertz ", disse Alessandro Alabastri da Rice University, co-autor correspondente de um estudo publicado esta semana na Nature Photonics .

"Isso poderia ser usado em comunicações sem fio", disse Alabastri, professor assistente de engenharia elanãtrica e de computação na Escola de Engenharia de Rice da Brown. "Quanto mais alta a frequência de operação de um sinal, mais rápido ele pode transmitir dados. Um terahertz éigual a 1.000 gigahertz, o que écerca de 25 vezes mais alto do que as frequências de operação de comutadores de polarização a³ptica disponí­veis comercialmente."

A pesquisa foi uma colaboração entre equipes experimentais e tea³ricas da Rice, da Universidade Politécnica de Mila£o (Politanãcnico) e do Instituto Italiano de Tecnologia (IIT) de Gaªnova. Essa colaboração começou no vera£o de 2017, quando a co-autora do estudo Andrea Schirato foi uma pesquisadora visitante no Laborata³rio Rice do fa­sico e coautor Peter Nordlander. Schirato éum estudante de graduação conjunta do Politanãcnico-IIT sob a supervisão do autor co-correspondente Giuseppe Della Valle do Politanãcnico e co-autor Remo Proietti Zaccaria do IIT.

Cada um dos pesquisadores trabalha em nanofota´nica, um campo de rápido crescimento que usa estruturas ultrapequenas e projetadas para manipular a luz. A ideia deles para o controle de polarização ultrarra¡pido era capitalizar variações ma­nimas e fugazes na geração de elanãtrons de alta energia em uma metassuperfa­cie plasma´nica .

Metasuperfa­cies são filmes ou folhas ultrafinos que contem nanoparta­culas incorporadas que interagem com a luz a  medida que ela passa pelo filme. Ao variar o tamanho, a forma e a composição das nanoparta­culas incorporadas e ao organiza¡-las em padraµes geomanãtricos bidimensionais precisos, os engenheiros podem criar metassuperfa­cies que dividem ou redirecionam comprimentos de onda específicos de luz com precisão.

"Uma coisa que diferencia isso de outras abordagens éa nossa confianção em um mecanismo de banda larga intrinsecamente ultrarra¡pido que ocorre nas nanoparta­culas plasma´nicas", disse Alabastri.

 

A equipe do Rice-Politecnico-IIT projetou uma metassuperfa­cie que continha fileiras de nanoparta­culas de ouro em forma de cruz. Cada cruz plasma´nica tinha cerca de 100 nana´metros de largura e ressoava com uma frequência de luz especa­fica que dava origem a um campo eletromagnético localizado aprimorado. Graças a esse efeito plasma´nico, a metassuperfa­cie da equipe era uma plataforma para a geração de elanãtrons de alta energia.

"Quando um pulso de luz laser atinge uma nanoparta­cula plasma´nica, ele excita os elanãtrons livres dentro dela, elevando alguns a na­veis de alta energia que estãofora de equila­brio", disse Schirato. "Isso significa que os elanãtrons estão'desconforta¡veis' e ansiosos para retornar a um estado mais relaxado. Eles voltam ao equila­brio em um tempo muito curto, menos de um picossegundo."

Apesar do arranjo simanãtrico de cruzamentos na metassuperfa­cie, o estado de não-equila­brio possui propriedades assimanãtricas que desaparecem quando o sistema retorna ao equila­brio. Para explorar esse fena´meno ultrarra¡pido para controle de polarização, os pesquisadores usaram uma configuração de dois laser. Experimentos realizados pela co-autora do estudo Margherita Maiuri nos laboratórios de espectroscopia ultrarrápida do Politanãcnico - e confirmados pelas previsaµes tea³ricas 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 depois do primeiro.

"O ponto chave éque podera­amos alcana§ar o controle da luz com a própria luz, explorando mecanismos eletra´nicos ultrarra¡pidos peculiares das metassuperfa­cies plasma´nicas", disse Alabastri. "Ao projetar adequadamente nossas nanoestruturas, demonstramos uma abordagem inovadora que nos permitira¡ transmitir opticamente informações de banda larga codificadas na polarização da luz com uma velocidade sem precedentes."