Los investigadores han desarrollado un nuevo dispositivo óptico que puede producir dos luces diferentes en forma de vórtice, una eléctrica y otra magnética. Estos patrones de luz estructurados, conocidos como skyramions, son excepcionalmente estables y permanecen intactos incluso cuando se exponen a interferencias. Esta flexibilidad los convierte en candidatos atractivos para la codificación de información en futuros sistemas de comunicación inalámbrica.
“Nuestro dispositivo no sólo genera múltiples patrones de vórtice en pulsos de terahercios que se propagan en el espacio libre, sino que también puede usarse para cambiar entre los dos modos bajo demanda usando la misma plataforma integrada”, dijo el autor correspondiente Xueqian Zhang de la Universidad de Tianjin. “Dicha controlabilidad es esencial para aplicaciones prácticas, donde la selección confiable y la reproducibilidad de una expresión deseada son cruciales para la codificación práctica de información”.
informe de trabajo en equipo ópticoRevista del Grupo Editorial Optica para investigaciones de alto impacto. En el estudio, Zhang y sus colegas describen cómo utilizaron una metasuperficie no lineal para lograr la primera demostración experimental de skyrmions que pueden conmutarse activamente entre configuraciones eléctricas y magnéticas dentro de pulsos de luz toroidales de terahercios. Las metasuperficies son materiales extremadamente delgados diseñados a nanoescala, lo que les permite conducir la luz de una manera que los materiales ópticos convencionales no pueden.
“Nuestros resultados conducen al concepto de skyramions de espacio libre conmutables como una herramienta controlable para una codificación robusta de la información”, dijo el coautor correspondiente Yi Shen de la Universidad Tecnológica de Nanyang. “Este trabajo podría inspirar enfoques más resistentes para las comunicaciones inalámbricas de terahercios y el procesamiento de datos basado en la luz. Dicho control también podría permitir circuitos basados en la luz que generen, conmuten y enruten diferentes estados de señal de forma controlada”.
Estructuras luminosas programables de terahercios
Las ondas de terahercios están atrayendo un interés cada vez mayor por las tecnologías de detección y comunicación de próxima generación. La investigación es parte de un esfuerzo mayor para desarrollar fuentes de luz de terahercios que hagan más que emitir pulsos, con énfasis en darles forma a esos pulsos para uso práctico.
Una estructura particularmente prometedora es el vórtice toroidal de luz, que forma un anillo en el que el campo electromagnético vuelve a una forma estable similar a una rosquilla. Estos vórtices ofrecen formas adicionales de codificar información, pero la mayoría de los sistemas existentes sólo pueden generar un único tipo de patrón y normalmente carecen de la capacidad de cambiar entre modos.
Para abordar esta limitación, los investigadores diseñaron un dispositivo integrado capaz de alternar entre patrones de vórtices toroidales eléctricos y magnéticos en pulsos de terahercios en el espacio libre. El método se basa en una metasuperficie no lineal especialmente diseñada a partir de nanoestructuras metálicas dispuestas con precisión.
Cuando pulsos de láser de femtosegundo en el infrarrojo cercano con diferentes patrones de polarización golpean la metasuperficie, el dispositivo genera distintos pulsos toroidales de terahercios. Dependiendo de la polarización, el vórtice resultante tiene una textura skyrmion en modo eléctrico o magnético. El mecanismo funciona de manera muy similar a seleccionar diferentes teclas para obtener diferentes resultados, un patrón de luz activa el modo eléctrico y el otro activa el modo magnético.
“La innovación clave radica en la metasuperficie no lineal que convierte pulsos de láser de femtosegundo del infrarrojo cercano en útiles pulsos de luz toroidal de terahercios”, dijo el primer autor Li Niu de la Universidad de Tianjin, quien realizó los experimentos.
“Al emplear elementos ópticos comunes, como placas de ondas y retardadores de vórtices para controlar el patrón de polarización del láser de entrada, pudimos crear un dispositivo compacto que puede cambiar activamente entre dos estados de luz topológicos distintos”, añadió el líder del proyecto, Jiaguang Han, de la Universidad de Tianjin.
Medición y verificación de la conmutación Skyramion
Para probar qué tan bien funcionaba el sistema, el equipo construyó una configuración de medición de terahercios ultrarrápida que les permitió observar pulsos de luz mientras viajaba por el espacio. En lugar de depender de una única medición, escanearon el pulso en múltiples ubicaciones y puntos temporales para reconstruir cómo evolucionó el campo electromagnético.
Estas mediciones revelan las características definitorias de los pulsos de luz toroidales y distinguen claramente entre los dos modos skyrmion. Los investigadores también utilizaron mediciones de fidelidad para evaluar el rendimiento, garantizando un comportamiento de conmutación confiable con alta pureza de cada modo.
De cara al futuro, el equipo planea perfeccionar la tecnología para aplicaciones centradas en las comunicaciones. El trabajo futuro se centrará en mejorar la estabilidad, la repetibilidad y la eficiencia a largo plazo, así como en hacer que el sistema sea más pequeño y más robusto. Su objetivo es ampliar el enfoque más allá de los dos modos añadiendo estados controlables adicionales, lo que permitirá una codificación de información más compleja y flexible.
