Polarización, la dirección en la que vibra la luz, es invisible para el ojo humano. Todavía, gran parte de nuestro mundo óptico se basa en el control y la manipulación de esta cualidad oculta de luz.

Los materiales que pueden manipular la polarización de la luz, conocidos como materiales birrefringentes, se utilizan en todo, desde relojes de alarma digitales hasta diagnósticos médicos. comunicaciones y astronomía.

Así como la polarización de la luz puede vibrar a lo largo de una línea recta o una elipse, los materiales también pueden ser birrefringentes lineal o elípticamente. Hoy dia, la mayoría de los materiales birrefringentes son intrínsecamente lineales, lo que significa que solo pueden manipular la polarización de la luz de forma limitada. Si desea lograr una manipulación de polarización amplia, necesita apilar varios materiales birrefringentes uno encima del otro, haciendo que estos dispositivos sean voluminosos e ineficientes.

Ahora, Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard han diseñado una metasuperficie que se puede ajustar continuamente de birrefringencia lineal a elíptica, abriendo todo el espacio de control de polarización con un solo dispositivo. Esta única metasuperficie puede operar tantos materiales birrefringentes en paralelo, permitiendo una manipulación de polarización más compacta, que podría tener aplicaciones de gran alcance en imágenes de polarización, óptica cuántica, y otras áreas.

La investigación se publica en Avances de la ciencia .

"Es un nuevo tipo de material birrefringente, "dijo Zhujun Shi, ex estudiante de posgrado en SEAS y primer autor del artículo. "Podemos adaptar el comportamiento de polarización amplia de un material más allá de lo que existe naturalmente, que tiene muchos beneficios prácticos. Lo que solía requerir tres componentes birrefringentes convencionales separados ahora solo toma uno ".

"La capacidad de manipular una propiedad fundamental de la luz como la polarización de formas completamente nuevas con un dispositivo compacto y multifuncional tendrá aplicaciones importantes para la óptica cuántica y las comunicaciones ópticas, "dijo Federico Capasso, Robert L. Wallace, profesor de física aplicada y Vinton Hayes, investigador principal de ingeniería eléctrica en SEAS y autor principal del artículo.

Las metauperficies son matrices de nanopilares espaciados a menos de una longitud de onda que pueden realizar una variedad de tareas, incluida la manipulación de la fase, amplitud y polarización de la luz. En el pasado, Capasso y su equipo han diseñado estas superficies altamente ordenadas desde cero, utilizando formas geométricas simples con solo unos pocos parámetros de diseño.

En esta investigación, sin embargo, el equipo recurrió a un nuevo tipo de técnica de diseño conocida como optimización topológica.

"La optimización topológica es un enfoque inverso, ", dijo Shi." Empiezas con lo que quieres que haga la metasuperficie y luego permites que el algoritmo explore el enorme espacio de parámetros para desarrollar un patrón que pueda ofrecer esa función de la mejor manera ".

El resultado fue sorprendente. En lugar de pilares rectangulares prolijamente ordenados que se erigen como soldaditos de juguete, esta metasuperficie se compone de semicírculos anidados que recuerdan a caras sonrientes torcidas, más como algo que dibujaría un niño pequeño que una computadora.

Pero estas formas extrañas han abierto un mundo completamente nuevo de birrefringencia. No solo pueden lograr manipulaciones de polarización amplias, como transformar la polarización lineal en cualquier polarización elíptica deseada, sino que la polarización también se puede sintonizar cambiando el ángulo de la luz entrante.

"Nuestro enfoque tiene una amplia gama de aplicaciones potenciales en la industria y la investigación científica, incluida la corrección de la aberración de polarización en sistemas ópticos avanzados, "dijo Capasso.