Un esquema pictórico muestra la estructura y la acción de una metasuperficie plasmónica con nanopatrones que modula la luz polarizada a frecuencias de terahercios. Un pulso de láser ultracorto (verde) excita las estructuras plasmónicas en forma de cruz, que rotan la polaridad de un segundo pulso de luz (blanco) que llega menos de un picosegundo después del primero. Crédito:A. Assié
Ingenieros estadounidenses e italianos han demostrado la primera plataforma nanofotónica capaz de manipular luz polarizada 1 billón de veces por segundo.
"La luz polarizada se puede utilizar para codificar bits de información, y hemos demostrado que es posible modular esa luz a frecuencias de terahercios, "dijo Alessandro Alabastri de Rice University, coautor correspondiente de un estudio publicado esta semana en Fotónica de la naturaleza .
"Esto podría potencialmente usarse en comunicaciones inalámbricas, "dijo Alabastri, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en la Escuela de Ingeniería Brown de Rice. "Cuanto mayor sea la frecuencia de funcionamiento de una señal, cuanto más rápido pueda transmitir datos. Un terahercio es igual a 1, 000 gigahercios, que es aproximadamente 25 veces más alta que las frecuencias de funcionamiento de los interruptores de polarización óptica disponibles comercialmente ".
La investigación fue una colaboración entre equipos experimentales y teóricos en Rice, la Universidad Politécnica de Milán (Politécnico) y el Instituto Italiano de Tecnología (IIT) en Génova. Esta colaboración comenzó en el verano de 2017, cuando la coautora del estudio, Andrea Schirato, era investigadora visitante en el laboratorio Rice del físico y coautor Peter Nordlander. Schirato es un estudiante de posgrado conjunto Politecnico-IIT bajo la supervisión del coautor Giuseppe Della Valle del Politecnico y el coautor Remo Proietti Zaccaria del IIT.
Cada uno de los investigadores trabaja en nanofotónica, un campo de rápido crecimiento que utiliza ultrapequeño, estructuras diseñadas para manipular la luz. Su idea para el control de polarización ultrarrápido era capitalizar en pequeños, variaciones fugaces en la generación de electrones de alta energía en una metasuperficie plasmónica.
Una imagen de microscopio electrónico de barrido de la metasuperficie plasmónica con nanopatrones que los ingenieros de la Universidad de Rice, la Universidad Politécnica de Milán y el Instituto Italiano de Tecnología creado para modular la luz polarizada en frecuencias de terahercios. Crédito:Andrea Toma / IIT
Las metauperficies son películas u hojas ultrafinas que contienen nanopartículas incrustadas que interactúan con la luz a medida que pasa a través de la película. Variando el tamaño, forma y composición de las nanopartículas incrustadas y colocándolas en patrones geométricos bidimensionales precisos, los ingenieros pueden crear metasuperficies que dividen o redirigen longitudes de onda de luz específicas con precisión.
"Una cosa que diferencia esto de otros enfoques es nuestra dependencia de un mecanismo de banda ancha intrínsecamente ultrarrápido que está teniendo lugar en las nanopartículas plasmónicas, "Dijo Alabastri.
El equipo de Rice-Politecnico-IIT diseñó una metasuperficie que contenía filas de nanopartículas de oro en forma de cruz. Cada cruz plasmónica tenía unos 100 nanómetros de ancho y resonaba con una frecuencia de luz específica que daba lugar a un campo electromagnético localizado mejorado. Gracias a este efecto plasmónico, La metasuperficie del equipo era una plataforma para generar electrones de alta energía.
"Cuando un pulso de luz láser golpea una nanopartícula plasmónica, excita los electrones libres dentro de él, elevar algunos a niveles de alta energía que están fuera de equilibrio, "Dijo Schirato." Eso significa que los electrones están 'incómodos' y ansiosos por regresar a un estado más relajado. Vuelven a un equilibrio en muy poco tiempo, menos de un picosegundo ".
A pesar de la disposición simétrica de las cruces en la metasuperficie, el estado de no equilibrio tiene propiedades asimétricas que desaparecen cuando el sistema vuelve al equilibrio. Para aprovechar este fenómeno ultrarrápido para el control de la polarización, los investigadores utilizaron una configuración de dos láser. Los experimentos realizados por la coautora principal del estudio, Margherita Maiuri, en los laboratorios de espectroscopia ultrarrápida del Politécnico, y confirmados por las predicciones teóricas del equipo, utilizaron un pulso ultracorto de luz de un láser para excitar los cruces. permitiéndoles modular la polarización de la luz en un segundo pulso que llegaba menos de un picosegundo después del primero.
"El punto clave es que podríamos lograr el control de la luz con la luz misma, explotando mecanismos electrónicos ultrarrápidos peculiares de las metasuperficies plasmónicas, ", Dijo Alabastri." Al diseñar adecuadamente nuestras nanoestructuras, hemos demostrado un enfoque novedoso que potencialmente nos permitirá transmitir ópticamente información de banda ancha codificada en la polarización de la luz con una velocidad sin precedentes ".
