Geração controlada por spin de um conjunto de polarização completo com metassuperfícies plasmônicas intercaladas aleatoriamente

Metasuperfícies ópticas são nanoestruturas artificiais bidimensionais finamente trabalhadas, compostas de matrizes meticulosamente projetadas de átomos artificiais ultrafinos. Essas superfícies possuem capacidades além dos materiais naturais, permitindo o controle multifuncional de ondas eletromagnéticas.

Ao projetar o formato, o tamanho, a rotação e a posição desses átomos artificiais, as metassuperfícies ópticas podem manipular precisamente ondas eletromagnéticas em resoluções espaciais abaixo do comprimento de onda, oferecendo um vasto potencial de aplicações no campo da fotônica.

Entre as muitas aplicações, o controle de estados de polarização usando metassuperfícies ópticas tem sido extensivamente estudado. O desenvolvimento de metassuperfícies multifuncionais codificadas por polarização representa um salto significativo na tecnologia óptica, permitindo que uma gama mais ampla de funções seja integrada em uma única metassuperfície.

Essa integração de codificação de polarização é alcançada por meio de designs inovadores de átomos artificiais e do entrelaçamento inteligente de diferentes regiões de metassuperfícies, anunciando uma nova era na fotônica. Metasuperfícies, como plataformas multipropósito para várias aplicações ópticas, exemplificam o progresso contínuo em direção a componentes ópticos mais integrados e dinamicamente controláveis.

Apesar dos avanços significativos no controle do estado de polarização usando metassuperfícies ópticas, a maioria das metassuperfícies atuais se limita a gerar alguns estados de polarização específicos distribuídos por um número limitado de canais.

Métodos para gerar de forma controlável um conjunto completo de estados de polarização (por exemplo, luz polarizada circularmente para a esquerda e para a direita e luz polarizada linearmente em diferentes orientações) em vários canais, bem como técnicas para obter estados de polarização comutáveis ​​em diferentes canais, foram raramente relatados até o momento.

Para enfrentar esses desafios, os autores de um artigo publicado na revista Avanços Opto-Eletrônicos propôs uma metasuperfície plasmônica de ouro-sílica-ouro reflexiva. Este design inovador apresenta seis regiões de metasuperfície intercaladas aleatoriamente, cada uma capaz de produzir e coletar diferentes estados de polarização em ângulos de reflexão distintos simultaneamente.

Este método de design permite o controle do feixe multidirecional em todos os canais de polarização e possibilita mudanças no estado de polarização nos canais de saída, alternando o estado de spin da luz incidente polarizada circularmente.

O design inclui uma placa de meia onda em forma de nanobrick e quatro placas de um quarto de onda em forma de nanocruz. A placa de meia onda pode converter luz polarizada circularmente para a esquerda em luz polarizada circularmente para a direita, ou vice-versa. Ao girar a placa de meia onda em incrementos de 45°, um gradiente de fase geométrico é produzido, separando os ângulos de reflexão da luz com o mesmo estado de polarização que a luz polarizada circularmente incidente.

As placas de quarto de onda, giradas em ângulos específicos, podem transformar luz incidente polarizada circularmente em luz polarizada linearmente em ângulos diferentes. Essas placas fornecem um gradiente de fase linear, convertendo luz polarizada circularmente em luz polarizada linearmente em orientações de 0°, 45°, 90° e 135°, que são então refletidas em ângulos diferentes.

Ao integrar essas placas em nanoescala e projetá-las com diferentes ângulos rotacionais, a metassuperfície pode atingir a saída simultânea de um conjunto completo de estados de polarização em vários canais. Utilizando as plataformas avançadas de micro e nanofabricação e caracterização no Center for Nano Optics da University of Southern Denmark, os pesquisadores validaram experimentalmente seu projeto de metassuperfície.

Esta pesquisa marca um avanço significativo no campo da óptica de polarização e abre caminho para o desenvolvimento de dispositivos ópticos compactos, eficientes e poderosos. As propriedades únicas dessas placas de onda em nanoescala abrem novos caminhos para aplicações que vão desde geração de imagens e sensoriamento até comunicação e outras tecnologias ópticas avançadas.

O impacto potencial dessa tecnologia é imenso, prometendo um futuro brilhante para a realização de sistemas ópticos complexos que podem ser controlados dinamicamente, aumentando assim a versatilidade e o desempenho dos componentes ópticos em diversas disciplinas.