Metasuperfície ajustável pode controlar a luz óptica no espaço e no tempo, oferecendo caminho para canais de comunicação sem fio

É uma cena com a qual muitos de nós estamos familiarizados: você está trabalhando em seu laptop na cafeteria local com talvez meia dúzia de outros usuários de laptop — cada um de vocês está tentando carregar sites ou transmitir vídeos em alta definição, e todos estão precisando de mais largura de banda.

Agora imagine que cada um de vocês tivesse um canal sem fio dedicado para comunicação que fosse centenas de vezes mais rápido do que o Wi-Fi que usamos hoje, com centenas de vezes mais largura de banda. Esse sonho pode não estar muito distante graças ao desenvolvimento de metasurfaces — pequenas folhas projetadas que podem refletir e, de outra forma, direcionar a luz de maneiras desejadas.

Em um artigo intitulado “Metassuperfícies espaço-temporais eletricamente ajustáveis ​​em frequências ópticas”, publicado na revista Nanotecnologia da Natureza, uma equipe de engenheiros do Caltech relata a construção de uma metasuperfície padronizada com minúsculas antenas sintonizáveis, capazes de refletir um feixe de luz óptica incidente para criar muitas bandas laterais, ou canais, de diferentes frequências ópticas.

“Com essas metassuperfícies, conseguimos mostrar que um feixe de luz entra e vários feixes de luz saem, cada um com frequências ópticas diferentes e indo em direções diferentes”, diz Harry Atwater, presidente da Otis Booth Leadership da Divisão de Engenharia e Ciência Aplicada, professor Howard Hughes de Física Aplicada e Ciência dos Materiais e autor sênior do novo artigo.

“Ele está agindo como uma série inteira de canais de comunicação. E nós encontramos uma maneira de fazer isso para sinais de espaço livre em vez de sinais transportados por uma fibra óptica.”

O trabalho aponta para uma rota promissora para o desenvolvimento não apenas de um novo tipo de canal de comunicação sem fio, mas também de novas tecnologias de medição de alcance e até mesmo uma nova maneira de retransmitir grandes quantidades de dados de e para o espaço.

Indo além dos elementos ópticos convencionais

A coautora principal do novo artigo, Prachi Thureja, uma estudante de pós-graduação do grupo de Atwater, diz que para entender seu trabalho, primeiro considere a palavra “metasuperfície”. A raiz, “meta”, vem de um prefixo grego que significa “além”.

Metasurfaces são projetadas para ir além do que podemos fazer com elementos ópticos volumosos convencionais, como lentes de câmera ou microscópio. Os dispositivos semelhantes a transistores multicamadas são projetados com um padrão cuidadosamente selecionado de antenas em nanoescala que podem refletir, dispersar ou controlar a luz.

Esses dispositivos planos podem focar a luz, no estilo de uma lente, ou refleti-la, como um espelho, projetando estrategicamente uma série de elementos em nanoescala que modificam a maneira como a luz responde.

Muito trabalho anterior com metasurfaces se concentrou na criação de dispositivos passivos que têm uma única funcionalidade de direção de luz que é fixa no tempo. Em contraste, o grupo de Atwater se concentra no que é conhecido como metasurfaces ativas.

“Agora podemos aplicar um estímulo externo, como uma série de voltagens diferentes, a esses dispositivos e ajustar entre diferentes funcionalidades passivas”, diz Jared Sisler, também aluno de pós-graduação no laboratório de Atwater e coautor principal do artigo.

No trabalho mais recente, a equipe descreve o que eles chamam de metassuperfície espaço-temporal que pode refletir luz em direções específicas e também em frequências particulares (uma função do tempo, já que a frequência é definida como o número de ondas que passam por um ponto por segundo).

Este dispositivo de metassuperfície, cujo núcleo tem apenas 120 mícrons de largura e 120 mícrons de comprimento, opera em modo de reflexão em frequências ópticas tipicamente usadas para telecomunicações, especificamente em 1.530 nanômetros. Isso é milhares de vezes maior do que as frequências de rádio, o que significa que há muito mais largura de banda disponível.

Em frequências de rádio, a eletrônica pode facilmente direcionar um feixe de luz em diferentes direções. Isso é rotineiramente realizado pelos dispositivos de navegação por radar usados ​​em aviões. Mas atualmente não há dispositivos eletrônicos que possam fazer isso em frequências ópticas muito mais altas. Portanto, os pesquisadores tiveram que tentar algo diferente, que era mudar as propriedades das próprias antenas.

Sisler e Thureja criaram sua metassuperfície para consistir em antenas de ouro, com uma camada semicondutora eletricamente ajustável subjacente de óxido de índio e estanho. Ao aplicar um perfil de voltagem conhecido através do dispositivo, eles podem modular localmente a densidade de elétrons na camada semicondutora abaixo de cada antena, alterando seu índice de refração (a capacidade de curvatura da luz do material).

“Ao ter a configuração espacial de diferentes tensões no dispositivo, podemos redirecionar a luz refletida em ângulos específicos em tempo real, sem a necessidade de trocar nenhum componente volumoso”, diz Thureja.

“Temos um laser incidente atingindo nossa metassuperfície em uma certa frequência, e modulamos as antenas no tempo com um sinal de voltagem de alta frequência. Isso gera múltiplas novas frequências, ou bandas laterais, que são transportadas pela luz laser incidente e podem ser usadas como canais de alta taxa de dados para enviar informações. Além disso, ainda temos controle espacial, o que significa que podemos escolher para onde cada canal vai no espaço”, explica Sisler.

“Estamos gerando frequências e as direcionando no espaço. Esse é o componente espaço-temporal dessa metassuperfície.”

Olhando para o futuro

Além de demonstrar que tal metassuperfície é capaz de dividir e redirecionar luz em frequências ópticas no espaço livre (em vez de fibras ópticas), a equipe diz que o trabalho aponta para diversas aplicações possíveis.

Essas metassuperfícies podem ser úteis em aplicações LiDAR, o equivalente de luz do radar, onde a luz é usada para capturar informações de profundidade de uma cena tridimensional. O sonho final é desenvolver uma “metasuperfície universal” que criaria múltiplos canais ópticos, cada um carregando informações em diferentes direções no espaço livre.

“Se as metassuperfícies ópticas se tornarem uma tecnologia viável e proliferante, daqui a uma década você poderá sentar em um Starbucks com um monte de outras pessoas em seus laptops e, em vez de cada pessoa receber um sinal de Wi-Fi de radiofrequência, elas receberão seu próprio sinal de feixe de luz de alta fidelidade”, diz Atwater, que também é diretor da Liquid Sunlight Alliance no Caltech.

“Uma metasuperfície será capaz de transmitir uma frequência diferente para cada pessoa.”

O grupo está colaborando com o Laboratório de Comunicações Ópticas do JPL, que está trabalhando no uso de frequências ópticas em vez de ondas de radiofrequência para comunicação com missões espaciais, porque isso permitiria a capacidade de enviar muito mais dados em frequências mais altas. “Esses dispositivos seriam perfeitos para o que estão fazendo”, diz Sisler.