Figura 1. La metasuperficie diseñada por el equipo que demuestra una modulación de fase sintonizable 2π completa utilizando el cruce evitado de dos resonancias. Crédito:Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST)
Un equipo internacional de investigadores dirigido por el profesor Min Seok Jang de KAIST y el profesor Victor W. Brar de la Universidad de Wisconsin-Madison ha demostrado una metodología ampliamente aplicable que permite una modulación de fase activa completa de 360° para metasuperficies mientras mantiene niveles significativos de amplitud de luz uniforme . Esta estrategia se puede aplicar fundamentalmente a cualquier región espectral con cualquier estructura y resonancia que se ajuste a la factura.
Las metasuperficies son componentes ópticos con funcionalidades especializadas indispensables para aplicaciones de la vida real que van desde LIDAR y espectroscopia hasta tecnologías futuristas como capas de invisibilidad y hologramas. Son conocidos por su naturaleza compacta y de tamaño micro/nano, lo que les permite integrarse en sistemas electrónicos computarizados con tamaños que son cada vez menores según lo predicho por la ley de Moore.
Para permitir tales innovaciones, las metasuperficies deben ser capaces de manipular la luz incidente, manipulando la amplitud o la fase de la luz (o ambas) y emitiéndola de vuelta. Sin embargo, modular dinámicamente la fase con el rango de círculo completo ha sido una tarea notoriamente difícil, y muy pocos trabajos lograron hacerlo sacrificando una cantidad sustancial de control de amplitud.
Desafiado por estas limitaciones, el equipo propuso una metodología general que permite que las metasuperficies implementen una modulación de fase dinámica con el rango de fase completo de 360°, mientras mantienen uniformemente niveles significativos de amplitud.
La razón subyacente de la dificultad para lograr tal hazaña es que existe una compensación fundamental con respecto al control dinámico de la fase óptica de la luz. Las metasuperficies generalmente realizan esta función a través de resonancias ópticas, una excitación de electrones dentro de la estructura de la metasuperficie que oscilan armónicamente junto con la luz incidente. Para poder modular a través de todo el rango de 0 a 360°, la frecuencia de resonancia óptica (el centro del espectro) debe ajustarse en gran medida mientras que el ancho de línea (el ancho del espectro) se mantiene al mínimo. . Sin embargo, para sintonizar eléctricamente la frecuencia de resonancia óptica de la metasuperficie bajo demanda, debe haber un flujo de entrada y salida controlable de electrones en la metasuperficie y esto conduce inevitablemente a un mayor ancho de línea de la resonancia óptica antes mencionada.
Figura 2. a:trayectorias de coeficiente de reflexión complejas con diferentes valores de movilidad para el caso de la hoja de grafeno. La modulación de fase 2π completa no ocurre sin el cruce evitado con plasmones de grafeno, a pesar de las movilidades crecientes y, por lo tanto, los anchos de línea decrecientes. b:trayectorias de coeficiente de reflexión complejas con diferentes valores de movilidad para el caso de la cinta de grafeno. Crédito:Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST)
El problema se complica aún más por el hecho de que la fase y la amplitud de las resonancias ópticas están estrechamente correlacionadas de una manera compleja y no lineal, lo que hace que sea muy difícil mantener un control sustancial sobre la amplitud mientras se cambia la fase.
El trabajo del equipo sorteó ambos problemas mediante el uso de dos resonancias ópticas, cada una con propiedades designadas específicamente. Una resonancia proporciona el desacoplamiento entre la fase y la amplitud para que la fase pueda ajustarse mientras se mantienen niveles significativos y uniformes de amplitud, además de proporcionar un ancho de línea estrecho.
La otra resonancia proporciona la capacidad de estar lo suficientemente sintonizada en gran medida para que se pueda lograr el rango completo del círculo completo de modulación de fase. La quintaesencia del trabajo es combinar las diferentes propiedades de las dos resonancias a través de un fenómeno llamado cruce evitado, de modo que las interacciones entre las dos resonancias conduzcan a una amalgama de los rasgos deseados que logra e incluso supera la modulación de fase completa de 360°. con amplitud uniforme.
El profesor Jang dijo:"Nuestra investigación propone una nueva metodología en la modulación de fase dinámica que rompe los límites y compensaciones convencionales, al tiempo que es ampliamente aplicable en diversos tipos de metasuperficies. Esperamos que esta idea ayude a los investigadores a implementar y realizar muchas aplicaciones clave de metasuperficies, como LIDAR y hologramas, para que la industria de la nanofotónica siga creciendo y brinde un futuro tecnológico más brillante".
El artículo de investigación escrito por Ju Young Kim y Juho Park, et al., y titulado "Modulación de fase sintonizable 2π completa utilizando el cruce evitado de resonancias" se publicó en Nature Communications el 19 de abril. + Explora más
