Transformation optics ha formulado un marco versátil para moldear el flujo de luz y adaptar sus características espaciales a voluntad. La transformación de coordenadas a menudo produce parámetros materiales extremos inviables incluso con metamateriales.

En un nuevo artículo publicado en eLight , un equipo de científicos, dirigido por el profesor Liang Feng de la Universidad de Pensilvania, ha desarrollado un nuevo chip que puede transferir diferentes estados ópticos para cambiar los flujos de luz. Su artículo, titulado "Transformación supersimétrica continua de banda ancha:un nuevo paradigma para la óptica de transformación", busca proporcionar una estrategia adaptable para controlar el flujo de luz.

Los intentos de doblar la luz a pedido y transformar arbitrariamente sus características espaciales tienen sus raíces en los fundamentos del electromagnetismo. La invariancia de forma de las ecuaciones de Maxwell bajo transformaciones de coordenadas condujo a la formulación de la óptica de transformación. Su equivalencia permite la reorganización de los campos electromagnéticos en un sistema de coordenadas dado. Ha dejado caminos abiertos a una serie de funcionalidades intrigantes, como el encubrimiento de invisibilidad y la óptica de ilusión.

Los metamateriales tienen una excelente flexibilidad de diseño y permiten una amplia gama de propiedades ópticas. La realización experimental de la óptica de transformación ha estado estancada durante una década debido a la extrema y singularidad óptica que a menudo resulta de la transformación. Por lo tanto, son esenciales nuevos esquemas de transformación óptica con valores de parámetros de banda ancha dentro de los límites alcanzables.

Por ejemplo, se ha demostrado el mapeo conforme con el índice de refracción local que varía espacialmente. Esta técnica puede realizar la transformación de coordenadas utilizando nanoestructuras de Si no homogéneas. Puede producir un control de frente de fase delicado para el encubrimiento de alfombras multicolores. Este enfoque aclaró la posibilidad de explotar el índice de gradiente (GRIN) para deformar el espacio. Sin embargo, se requiere un cambio de paradigma más allá de la transformación de coordenadas tradicional para lograr una funcionalidad más rica además de doblar las trayectorias.

Aquí, el equipo de investigación adopta un enfoque diferente al de la óptica de transformación convencional:observar el hamiltoniano del sistema en transformación. La invariancia del hamiltoniano bajo la operación de simetría nos brinda información sobre cómo se puede transformar un sistema con una cantidad conservada. En particular, la supersimetría (SUSY) presenta los espectros de energía propia degenerados entre dos hamiltonianos distintos, lo que ha facilitado el control avanzado de las características espaciales de la luz.

El acoplamiento estratégico entre el sistema óptico original y su supercompañero disipativo ha desencadenado aplicaciones intrigantes como matrices de microláser monomodo de alta radiación y multiplexación por división de modo. Estos estudios experimentales previos se basan en hamiltonianos de celosía, que se pueden factorizar mediante una operación matricial. Por lo tanto, construyeron sistemas compuestos por muchos elementos discretos acoplados correspondientes a guías de ondas acopladas o resonadores.

Por el contrario, el método extendido de SUSY que puede generar un número infinito de potenciales estrictamente isoespectrales ha permanecido sin explorar experimentalmente ya que requiere un enfoque intrínsecamente diferente para realizar potenciales arbitrarios. Al mismo tiempo, su marco matemático es ideal para la transformación hamiltoniana continua para habilitar un escenario distinto para la óptica de transformación.

El equipo de investigación informó sobre la primera demostración experimental de la transformación SUSY continua mediante el diseño de un nuevo metamaterial GRIN en una plataforma de Si. La idea es construir un metamaterial que pueda emular potenciales arbitrarios para lograr un control avanzado de la luz mediante la transformación de los medios ópticos bajo supersimetría.

Utilizaron la sinergia de la supersimetría y el metamaterial para diseñar una permitividad dieléctrica espacialmente variable. Constituía un mapa bidimensional donde se prescriben transformaciones arbitrarias simultáneamente a múltiples estados ópticos para el enrutamiento, la conmutación y la configuración del modo espacial, manteniendo estrictamente sus constantes de propagación originales. Su resultado contó con una óptica de transformación SUSY continua de banda ancha. La interacción de la supersimetría y un metamaterial demostrado en este estudio iluminó un camino novedoso para utilizar completamente los grados de libertad espacial de un chip para funcionalidades fotónicas versátiles.

El enfoque de transformación SUSY continua del equipo es escalable a un mayor número de estados propios y parámetros libres. Se aplica a la distribución de índices más complicada, creando una plataforma ideal para la multiplexación por división espacial en el chip en tecnologías de la información. Además, ampliar aún más la transformación SUSY a dimensiones superiores puede proporcionar una estrategia de diseño para explotar todo el potencial de los metamateriales en el espacio tridimensional. + Explora más

Creando invisibilidad con materiales superconductores