Los investigadores han demostrado el primer láser de metasuperficie del mundo que produce "luz superquiral":luz con un momento angular ultraalto. La luz de este láser se puede utilizar como un tipo de "llave óptica" para codificar información en comunicaciones ópticas.

"Debido a que la luz puede transportar un momento angular, significa que esto se puede transferir a la materia. Cuanto mayor sea el momento angular que lleva la luz, más puede transferir. Entonces puedes pensar en la luz como una 'llave óptica', "El profesor Andrew Forbes de la Facultad de Física de la Universidad de Witwatersrand (Wits) en Johannesburgo, Sudáfrica, quien dirigió la investigación. "En lugar de usar una llave física para torcer cosas (como atornillar tuercas), ahora puede iluminar la tuerca y se ajustará sola ".

El nuevo láser produce una nueva "luz retorcida" de alta pureza que antes no se observaba en los láseres. incluido el momento angular más alto informado por un láser. Simultáneamente, los investigadores desarrollaron una metasuperficie nanoestructurada que tiene el gradiente de fase más grande jamás producido y permite una operación de alta potencia en un diseño compacto. La implicación es un láser por primera vez en el mundo para producir estados exóticos de luz estructurada retorcida, Bajo demanda.

Fotónica de la naturaleza publicó hoy en línea la investigación que se realizó como una colaboración entre Wits y el Consejo de Investigación Científica e Industrial (CSIR) en Sudáfrica, Universidad de Harvard (EE. UU.), la Universidad Nacional de Singapur (Singapur), Vrije Universiteit Brussel (Bélgica) y CNST — Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia Via Giovanni Pascoli (Italia).

En su artículo titulado:Estados de momento angular orbital de alta pureza de un láser de metasuperficie visible, los investigadores demuestran un nuevo láser para producir cualquier estado quiral de luz deseado, con control total sobre ambos componentes del momento angular (AM) de la luz, el espín (polarización) y el momento angular orbital (OAM) de la luz.

El diseño del láser es posible gracias al control completo que ofrece la nueva metasuperficie de tamaño nanométrico (1000 veces más pequeña que el ancho de un cabello humano), diseñada por el grupo de Harvard, dentro del láser. La metasuperficie está formada por muchas varillas diminutas de nanomaterial, que altera la luz a su paso. La luz atraviesa la metasuperficie muchas veces, recibiendo un nuevo giro cada vez que lo hace.

"Lo que lo hace especial es que a la luz, el material tiene propiedades imposibles de encontrar en la naturaleza, y por eso se llama un "metamaterial", un material de fantasía. Debido a que las estructuras eran tan pequeñas, solo aparecen en la superficie para formar una metasuperficie ".

El resultado es la generación de nuevas formas de luz quiral no observadas desde los láseres hasta ahora. y control completo de la quiralidad de la luz en la fuente, cerrando un desafío abierto.

"Hay un fuerte impulso en este momento para intentar controlar la materia quiral con luz retorcida, y para que esto funcione necesitas una luz con un toque muy alto:luz superquiral, ", dice Forbes. Varias industrias y campos de investigación requieren luz súper quiral para mejorar sus procesos, incluida la comida, Industrias informáticas y biomédicas.

"Podemos utilizar este tipo de luz para impulsar ópticamente los engranajes donde los sistemas mecánicos físicos no funcionarían, como en los sistemas de microfluidos para impulsar el flujo, "dice Forbes". Con este ejemplo, el objetivo es realizar la medicina en un chip en lugar de en un laboratorio grande, y se llama popularmente Lab-on-a-Chip. Porque todo es pequeño la luz se utiliza para el control:para mover cosas y ordenarlas, como células buenas y malas. La luz retorcida se utiliza para impulsar microengranajes para que el flujo fluya, e imitar centrifugadoras con luz ".

El desafío quiral

"Quiralidad" es un término que se usa a menudo en química para describir compuestos que se encuentran como imágenes especulares entre sí. Estos compuestos son "diestros" y pueden considerarse zurdos o diestros. Por ejemplo, los sabores de limón y naranja son el mismo compuesto químico, pero solo difieren en su "mano derecha".

La luz también es quiral pero tiene dos formas:el espín (polarización) y el OAM. Spin AM es similar a los planetas que giran alrededor de su propio eje, mientras que OAM es similar a los planetas que orbitan alrededor del Sol.

"Controlar la quiralidad de la luz en la fuente es una tarea desafiante y de gran actualidad debido a las muchas aplicaciones que lo requieren, del control óptico de la materia quiral, a la metrología, a las comunicaciones, "dice Forbes." El control quiral completo implica el control del momento angular total de la luz, polarización y OAM ".

Debido a restricciones de diseño e impedimentos de implementación, Hasta la fecha, solo se ha producido un subconjunto muy pequeño de estados quirales. Se han ideado ingeniosos esquemas para controlar la helicidad (la combinación de giro y movimiento lineal) de los haces OAM, pero también permanecen restringidos a este conjunto simétrico de modos. No fue posible escribir algún estado quiral de luz deseado y hacer que un láser lo produjera, hasta ahora.

Láser de superficie

El láser usó una metasuperficie para imbuir la luz con un momento angular ultra alto, dándole un "giro" sin precedentes en su fase mientras también controla la polarización. Por control arbitrario del momento angular, la simetría estándar de la órbita de giro podría romperse, para que el primer láser produzca un control total del momento angular de la luz en la fuente.

La metasuperficie se construyó a partir de nanoestructuras cuidadosamente diseñadas para producir el efecto deseado, y es la estructura OAM más extrema fabricada hasta ahora, con el gradiente de fase más alto hasta ahora informado. La resolución nanométrica de la metasuperficie hizo posible un vórtice de alta calidad con bajas pérdidas y un alto umbral de daño. haciendo posible el láser.

El resultado fue un láser que podía disparar en estados OAM de 10 y 100 simultáneamente para la MA más alta reportada por un láser hasta la fecha. En el caso especial de que la metasuperficie esté configurada para producir estados simétricos, A continuación, el láser produce todos los estados de OAM anteriores informados a partir de láseres de luz estructurados personalizados.

Avanzando

"Lo que nos parece particularmente interesante es que nuestro enfoque se presta a muchas arquitecturas láser. Por ejemplo, Podríamos aumentar el volumen de ganancia y el tamaño de la metasuperficie para producir un láser a granel de alta potencia, o podríamos reducir el sistema a un chip usando un diseño de metasuperficie monolítico, "dice Forbes.

"En ambos casos, el modo láser estaría controlado por la polarización de la bomba, no requiriendo elementos dentro de la cavidad distintos de la propia metasuperficie. Nuestro trabajo representa un paso importante hacia la fusión de la investigación en láseres a granel con la de dispositivos en chip ".