Dicroísmo ultrarrápido gigante e birrefringência com metassuperfícies não locais ativas

O controle fino e eficiente das propriedades da luz em velocidade ultrarrápida até a escala de tempo de picosegundos é uma tarefa desafiadora, crucial para muitas aplicações e tecnologias científicas. Por exemplo, em links ópticos de espaço livre, manipular sob demanda os atributos da luz pode ser explorado para codificar e transferir informações digitais de forma robusta, em longas distâncias e sem fibras ópticas.

Neste contexto, materiais nanopadronizados ultrafinos (metassuperfícies) em combinação com pulsos de luz ultracurtos ganharam força como uma plataforma promissora e flexível operando totalmente opticamente. Ou seja, um primeiro pulso de luz intenso muda transitoriamente as propriedades ópticas do sistema por um curto intervalo de tempo, enquanto um segundo pulso fraco, interagindo com a estrutura nesta janela de tempo, é consequentemente modificado, por exemplo, em amplitude ou polarização. Esta modificação pode ser explorada para codificar um “bit” ultrarrápido para comunicação ou computação.

Uma equipe internacional de pesquisadores, liderada pelo Professor Giuseppe Della Valle do Departamento de Física do Politécnico de Milão (Itália), propôs uma metassuperfície capaz de modulações extremamente eficientes da polarização da luz, alcançando variações notavelmente grandes em amplitude (>400%) e fase (>90°) sob fotoexcitação de baixa potência.

Um novo artigo com esses resultados foi publicado em Luz: Ciência e Aplicações. Cientistas da Université Paris-Cité em Paris (França) fabricaram a metassuperfície, enquanto o design, experimentos e simulações numéricas foram realizados em Milão. O estudo foi conduzido em colaboração com o Instituto Italiano de Tecnologia, a Universidade de Sófia (Bulgária) e a Universidade Nacional Australiana, como parte do projeto H2020 FET-OPEN METAFAST.

O material nanopadronizado é constituído por fios de algumas centenas de nanômetros de espessura (ou seja, menos de um centésimo da espessura de um fio de cabelo) de um material semicondutor, AlGaAs, dispostos periodicamente para compor uma superfície quase plana. Nesta plataforma, os experimentos mostraram desempenhos excepcionais na modulação da polarização da luz.

Especificamente, a fotoexcitação permite modificar transitoriamente as propriedades dicróicas da metassuperfície: isso significa que a estrutura responde de uma maneira radicalmente diferente a feixes de luz polarizados linearmente em direções ortogonais, com variações de picossegundos de até 470%.

Além disso, para comprimentos de onda selecionados, essa estratégia torna possível converter transitoriamente a polarização linear para quase circular (modulação da birrefringência), como em uma placa de um quarto de onda ultrarrápida fotoativada sob demanda. A eficiência excepcional desses processos é alcançada explorando as propriedades peculiares do material fotoexcitado, combinadas com um design racional dos parâmetros geométricos da metassuperfície por meio de simulações numéricas.

Esses resultados apontam para uma abordagem promissora para a modulação eficiente totalmente óptica das propriedades da luz, onde grandes contrastes induzidos por pulsos de controle baixos são críticos para aplicações do mundo real. A validade geral do conceito proposto pode ser facilmente estendida para outras plataformas e atributos de luz baseados em semicondutores, abrindo rotas interessantes para a manipulação sob demanda de sinais ópticos para telecomunicações e além.