Una fuente de luz polarizada circularmente ultracompacta es un componente crucial para las aplicaciones de procesamiento de información de óptica cuántica y clásica. El desarrollo de este campo se basa en los avances de dos campos:los materiales cuánticos y las cavidades ópticas quirales. Los enfoques convencionales para la fotoluminiscencia polarizada circularmente sufren de emisión de banda ancha incoherente, DOP limitada y grandes ángulos de radiación. Sus aplicaciones prácticas están limitadas por la baja eficiencia y el desperdicio de energía en direcciones de emisión y dirección de emisión no deseadas. Los microláseres quirales pueden tener grandes DOP y salida direccional, pero solo en rangos de potencia específicos. Lo que es más importante, sus rendimientos por debajo del umbral se desploman significativamente. Hasta ahora, la estrategia para el control simultáneo de la emisión espontánea quiral y el láser quiral aún está ausente.

En un nuevo artículo publicado en Science , investigadores del Instituto de Tecnología de Harbin y la Universidad Nacional de Australia emplean la física de los estados quirales cuasi ligados en el continuo (BIC) y demuestran la emisión eficiente y controlable de luz polarizada circularmente desde metasuperficies resonantes.

Los BIC con carga topológica entera en el espacio de momento y un factor Q teóricamente infinito se han explorado para muchas aplicaciones, incluidas la óptica no lineal y la emisión de láser. Al introducir asimetría en el plano, los BIC se convierten en cuasi-BIC con factores Q finitos pero aún altos. Curiosamente, la carga topológica entera del modo BIC se dividiría en dos cargas semienteras, que se distribuyen simétricamente en el espacio de momento y corresponden a los estados de polarización circular izquierda y derecha, también conocidos como puntos C.

En los puntos C, la luz incidente con un estado de polarización circular se puede acoplar a las nanoestructuras y producir campos electromagnéticos locales mejorados dramáticamente. El otro estado de polarización está desacoplado y transmite casi perfectamente. Estas características son bien conocidas pero rara vez se aplican a las emisiones de luz. "Esto se debe principalmente a que los puntos C generalmente se desvían de la parte inferior de la banda. Tienen un factor Q relativamente bajo y no se pueden excitar para las acciones de láser", dice Zhang.

Para realizar la emisión de luz quiral, un paso clave es combinar la densidad local de estados con la quiralidad intrínseca en los puntos C. Si un punto C se desplaza hacia la parte inferior de la banda, el factor Q del cuasi-BIC quiral correspondiente puede ser máximo. De acuerdo con la regla de oro de Fermi, la tasa de radiación de una emisión espontánea polarizada circularmente aumenta, mientras que la otra polarización se inhibe. Tanto el factor Q como la tasa de radiación se reducen drásticamente con el ángulo de emisión. Como resultado, se puede esperar una emisión de luz altamente direccional y de alta pureza cerca del punto Γ.

"Por supuesto, el otro punto C puede admitir una alta quiralidad similar con la mano opuesta. Sin embargo, ese punto también se desvía del factor Q máximo y se mejora menos. Por lo tanto, nuestra metasuperficie solo produce una polarización circular cercana a la unidad con alta direccionalidad alrededor de la normal. dirección", dice Zhang.

El control de los puntos C en el espacio de momento está estrechamente relacionado con la maximización de la quiralidad en la dirección normal. En principio, la realización de la quiralidad se relaciona con la ruptura simultánea de las simetrías de reflexión del espejo en el plano y fuera del plano. En esta investigación, el equipo ha introducido una asimetría fuera del plano, la inclinación de las nanoestructuras. Para una asimetría en el plano, hay una asimetría fuera del plano que puede mover un punto C al punto Γ. "Encontramos que dos tipos de asimetrías son linealmente dependientes entre sí. Esto hace que la optimización de la quiralidad en la dirección normal sea muy fácil", dice Zhang.

En los experimentos, los investigadores fabricaron las metasuperficies con un proceso de grabado de iones reactivos inclinados de un solo paso y caracterizaron las emisiones. Bajo la excitación de un láser de nanosegundos, han demostrado con éxito las emisiones quirales con un DOP de 0,98 y un ángulo divergente de campo lejano de 1,06 grados. "Nuestra fuente de luz circular se realiza con el control del punto C en el espacio de momento y la densidad de estado local. Es independiente de la potencia de excitación", dice Zhang. "Esta es la razón por la que podemos lograr la alta Q, la alta direccionalidad y la emisión de polarización circular de alta pureza desde la emisión espontánea hasta el láser".

En comparación con los enfoques convencionales, el cuasi-BIC quiral proporciona una forma de modificar y controlar simultáneamente los espectros, los patrones de radiación y el momento angular de giro de la fotoluminiscencia y el láser sin ninguna inyección de giro. Este enfoque puede mejorar el diseño de las fuentes actuales de luz quiral y potenciar sus aplicaciones en sistemas fotónicos y cuánticos. + Explora más

Mejorar la robustez de los estados ligados en el continuo con cargas topológicas más altas