Un equipo de investigación ha desarrollado una nueva técnica que permite un control espaciotemporal preciso de las ondas de terahercios a medida que atraviesan materiales desordenados.
El método, publicado en ACS Photonics , podría conducir a avances en imágenes médicas, comunicaciones y otras aplicaciones que dependen de pulsos de terahercios de banda ancha. La investigación se realizó como parte del proyecto TIMING del ERC de la Unión Europea, y el equipo incluyó a miembros del Centro de Investigación de Fotónica Emergente de Loughborough en colaboración con el profesor Jacopo Bertolotti de la Universidad de Exeter.
En el ámbito de la óptica, la visión tradicional ha considerado durante mucho tiempo que los sistemas desordenados (como mirar a través de un vidrio esmerilado) son un límite a la claridad. Al igual que la niebla, una distribución desordenada de partículas de agua, dispersa la luz y nubla nuestra visión, estos materiales dispersan la luz de maneras impredecibles. Pero este nuevo estudio muestra que podemos aprovechar esta dispersión a nuestro favor.
Un enfoque más moderno que describe esos objetos como "medios complejos" revela una narrativa sorprendentemente diferente. La clave está en comprender que, si bien la información está realmente codificada dentro de estos sistemas, no se pierde irremediablemente y que esta codificación puede usarse para manipular la luz misma.
Las ondas de terahercios son una forma de radiación electromagnética de longitud de onda que se encuentra entre las microondas y la luz infrarroja. Representan el puente entre la electrónica y la fotónica, lo que los hace notablemente difíciles de detectar y manipular. Sin embargo, son muy buscados y únicos, ya que las ondas de terahercios pueden penetrar materiales como ropa, papel y plástico, ofreciendo imágenes claras sin el daño ionizante de los rayos X, y pueden transportar enlaces de comunicación de rendimiento excepcionalmente alto.
Sin embargo, las ondas de terahercios se distorsionan a medida que se propagan a través de estructuras complejas como algunos tejidos biológicos o estructuras tecnológicas. De hecho, obtener imágenes a través de medios complejos es un desafío, pero también una oportunidad.
En este estudio, los investigadores utilizaron un tipo especial de láser ultrarrápido, conocido por sus pulsos extremadamente cortos, para crear patrones de pulsos de terahercios (de una duración de unos pocos picosegundos).
A medida que esos patrones interactuaban con material de dispersión complejo, los investigadores manipularon la iluminación del láser empleando un algoritmo genético especialmente diseñado que imita el proceso de evolución natural para resolver problemas complejos.
Como resultado, obtuvieron control sobre la forma en que las ondas de terahercios se distribuyen en el espacio y evolucionan en el tiempo después del material. En cierto modo, este nivel de control recompone piezas de la onda revueltas por la dispersión, en una nueva forma con los patrones y colores deseados.
"Es notable que los medios complejos funcionen como dispositivos sofisticados que manipulan ondas de terahercios de maneras inalcanzables en la técnica y, sin embargo, son en realidad conjuntos aleatorios de partículas muy accesibles", dijo el Dr. Vittorio Cecconi, investigador principal del estudio. Y continúa:"Esto abre nuevas posibilidades para explotar ondas de terahercios en aplicaciones de detección e imágenes donde la dispersión es un problema".
Si bien este enfoque tiene ramificaciones multidisciplinarias, en terahercios, es posible gracias a la disponibilidad de métodos para medir la evolución del campo eléctrico de terahercios en tiempos, de manera que se asemeja a la función de un osciloscopio. Sin embargo, en fotónica, esto es muy poco común ya que el campo eléctrico (la cantidad que oscila en las ondas electromagnéticas) generalmente no se puede medir para la luz, donde la cantidad a la que comúnmente se accede a través del fotodetector es la intensidad.
Esta diferencia específica permite una metodología conocida como diseño de imágenes fantasma no lineales para obtener información espacio-temporal sobre las ondas y la forma en que interactúan con los materiales ópticos.
"La sinergia entre las imágenes fantasma no lineales y los medios complejos permitió esta investigación y desbloquea varias aplicaciones avanzadas potenciales, como la computación de terahercios", afirmó el Dr. Cecconi.
El profesor Peccianti, director del Centro e investigador principal del proyecto TIMING del ERC, enfatizó la misión del Centro y afirmó:"En el Centro de Investigación de Fotónica Emergente, nuestro espíritu principal es explorar la intersección entre la fotónica ultrarrápida y la complejidad. Aquí, la luz trasciende su papel tradicional como mera iluminación, evolucionando hacia una poderosa herramienta capaz de capturar y procesar instantáneamente una gran cantidad de información, marcando el camino de una nueva innovación tecnológica."
Más información: Vittorio Cecconi et al, Síntesis de ondas espaciotemporales de terahercios en sistemas aleatorios, ACS Photonics (2024). DOI:10.1021/acsphotonics.3c01671
Proporcionado por la Universidad de Loughborough
