Crear dispositivos extremadamente pequeños que puedan dirigir y controlar la luz con precisión es un desafío clave para muchas tecnologías emergentes. Los científicos del Centro de Investigación Científica Avanzada del Centro de Graduados de CUNY (CUNY ASRC) han logrado un avance importante al crear una metasuperficie que puede convertir la luz infrarroja invisible en luz visible y apuntarla en una dirección específica sin depender de ninguna parte móvil. Sus hallazgos se describen en un nuevo estudio publicado en la revista Élite.
La nueva metasuperficie toma la forma de un chip ultrafino cubierto de estructuras diminutas que son más pequeñas que la longitud de onda de la luz. Cuando un láser infrarrojo golpea la superficie, el chip cambia la luz a un color (o frecuencia) más alto y la emite como un haz estrechamente enfocado. La dirección de ese haz se puede ajustar cambiando la polarización de la luz entrante.
En experimentos de laboratorio, los investigadores convirtieron la luz infrarroja con una longitud de onda de aproximadamente 1.530 nanómetros, que se utiliza en los sistemas de comunicación de fibra óptica, en luz verde visible de aproximadamente 510 nanómetros. Pudieron guiar el haz saliente hacia ángulos seleccionados con alta precisión.
“Piense en ello como un foco microscópico plano que no solo cambia el color de la luz sino que dirige el haz hacia donde usted lo desea, todo en un solo chip”, dijo Andrea Alu, directora fundadora de la Iniciativa de Fotónica ASRC de CUNY y Profesora Distinguida del Centro de Graduados de CUNY. “Al hacer que diferentes partes de la superficie trabajen juntas, obtenemos una conversión de luz muy eficiente y un control preciso sobre hacia dónde va esa luz”.
Resolviendo un desafío de ingeniería perenne
Los ingenieros han utilizado durante mucho tiempo metasuperficies que utilizan estructuras planas a nanoescala para doblar, enfocar y dar forma a la luz. Sin embargo, estos sistemas suelen enfrentarse a un difícil equilibrio.
Algunos diseños ofrecen un control preciso ajustando la luz a cada punto individual de la superficie, pero no son muy eficientes a la hora de amplificar la señal luminosa. Otros diseños permiten que las ondas de luz interactúen en toda la superficie, lo que puede aumentar considerablemente el rendimiento, pero este enfoque a menudo sacrifica el control detallado sobre la forma y dirección del haz.
Un nuevo dispositivo desarrollado en CUNY supera esta limitación para crear la primera luz no lineal, un proceso en el que un color de luz se convierte en otro color. El chip utiliza una resonancia colectiva conocida como estado semiconfinado en continuidad para bloquear e intensificar la luz infrarroja entrante en toda la superficie. Al mismo tiempo, cada pequeño elemento estructural gira siguiendo un patrón cuidadosamente diseñado, permitiendo que la luz saliente alcance una fase dependiente de la posición similar al efecto de una lente o prisma.
Dirección eficiente del haz sin piezas móviles
Gracias a este diseño, la metasuperficie genera luz de tercer armónico, lo que significa que la luz saliente tiene una frecuencia tres veces mayor que la del haz entrante y dirige esa luz en una dirección específica. Cambiar la polarización del haz entrante invierte la dirección de dirección, proporcionando una forma sencilla y eficaz de controlar hacia dónde va la luz.
Como resultado, la señal del tercer armónico producida por el chip es aproximadamente 100 veces más eficiente que la lograda por dispositivos de formación de haces similares que carecen de estas resonancias colectivas.
Hacia fuentes de luz compactas y ópticas integradas
Ser capaz de generar y dirigir de manera eficiente nueva luz de color en un chip plano abre la puerta a muchas aplicaciones prácticas.
“Esta plataforma abre un camino hacia fuentes de luz ultracompactas y componentes de dirección de haz para tecnologías como LiDAR, generación de luz cuántica y procesamiento de señales ópticas, todos integrados directamente en un chip”, dijo el autor principal Michel Cotrufo, ex becario postdoctoral en CUNY y ahora profesor asistente de la Universidad de Rochester. “Debido a que el concepto está impulsado por la geometría, no por un material específico, se puede aplicar a muchos otros materiales no lineales y a diferentes colores de luz, incluida la ultravioleta”.
Los investigadores agregaron que las versiones futuras de la tecnología podrían implicar apilar o combinar múltiples metasuperficies, cada una optimizada de manera ligeramente diferente, para operar de manera eficiente en una gama más amplia de longitudes de onda.
Esta investigación fue apoyada por el Departamento de Defensa de EE. UU., la Fundación Simmons y el Consejo Europeo de Investigación.
