Lo schema mostra una nuova tecnica per rimodellare le proprietà di un impulso di luce ultraveloce. Un impulso di luce in arrivo (a sinistra) viene disperso nelle sue varie frequenze costituenti, o colori, e diretto in una metasuperficie composta da milioni di minuscoli pilastri di silicio e un polarizzatore integrato. I nanopillar sono specificamente progettati per modellare simultaneamente e indipendentemente tali proprietà di ciascun componente di frequenza come la sua ampiezza, fase o polarizzazione. Il raggio trasmesso viene quindi ricombinato per ottenere un nuovo impulso di forma modificata (a destra). Credito:S. Kelley/NIST
Immagina di essere in grado di modellare un impulso di luce in qualsiasi modo immaginabile, comprimendolo, allungandolo, dividendolo in due, cambiando la sua intensità o alterando la direzione del suo campo elettrico.
Il controllo delle proprietà degli impulsi di luce ultraveloci è essenziale per inviare informazioni attraverso circuiti ottici ad alta velocità e per sondare atomi e molecole che vibrano migliaia di trilioni di volte al secondo. Ma il metodo standard di modellazione degli impulsi, utilizzando dispositivi noti come modulatori di luce spaziale, è costoso, ingombranti e privi del controllo preciso di cui gli scienziati hanno sempre più bisogno. Inoltre, questi dispositivi sono tipicamente basati su cristalli liquidi che possono essere danneggiati dagli stessi impulsi di luce laser ad alta intensità per cui sono stati progettati.
Ora i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) e del NanoCenter dell'Università del Maryland a College Park hanno sviluppato un metodo nuovo e compatto per scolpire la luce. Hanno prima depositato uno strato di silicio ultrasottile sul vetro, solo poche centinaia di nanometri (miliardesimi di metro) di spessore, e poi ha ricoperto una serie di milioni di minuscoli quadrati di silicio con un materiale protettivo. Incidendo via il silicio che circonda ogni quadrato, il team ha creato milioni di minuscoli pilastri, che ha giocato un ruolo chiave nella tecnica del light sculpting.
L'appartamento, dispositivo ultrasottile è un esempio di metasuperficie, che viene utilizzato per modificare le proprietà di un'onda luminosa che lo attraversa. Disegnando con cura la forma, dimensione, densità e distribuzione dei nanopilastri, le proprietà multiple di ciascun impulso luminoso possono ora essere personalizzate simultaneamente e indipendentemente con precisione su scala nanometrica. Queste proprietà includono l'ampiezza, fase e polarizzazione dell'onda.
Un'onda leggera, un insieme di campi elettrici e magnetici oscillanti orientati ad angolo retto tra loro, ha picchi e avvallamenti simili a un'onda oceanica. Se sei in piedi nell'oceano, la frequenza dell'onda è la frequenza con cui i picchi o gli avvallamenti ti superano, l'ampiezza è l'altezza delle onde (dalla depressione al picco), e la fase è dove sei rispetto ai picchi e ai minimi.
"Abbiamo scoperto come manipolare in modo indipendente e simultaneo la fase e l'ampiezza di ciascun componente di frequenza di un impulso laser ultraveloce, " ha detto Amit Agrawal, del NIST e del NanoCenter. "Per realizzare questo, abbiamo usato set accuratamente progettati di nanopillar di silicio, uno per ogni colore costituente nel polso, e un polarizzatore integrato fabbricato sul retro del dispositivo."
Quando un'onda luminosa viaggia attraverso una serie di nanopilastri di silicio, l'onda rallenta rispetto alla sua velocità nell'aria e la sua fase è ritardata:il momento in cui l'onda raggiunge il suo picco successivo è leggermente successivo al momento in cui l'onda avrebbe raggiunto il suo picco successivo in aria. La dimensione dei nanopillar determina la quantità di cui cambia la fase, mentre l'orientamento dei nanopillar cambia la polarizzazione dell'onda luminosa. Quando un dispositivo noto come polarizzatore è attaccato alla parte posteriore del silicio, la variazione di polarizzazione può essere tradotta in una corrispondente variazione di ampiezza.
Uno schema più dettagliato dell'impostazione della modellazione dell'impulso. Un impulso di luce in arrivo (a sinistra) viene diffratto da un reticolo, che disperde l'impulso nelle sue varie frequenze, o colori. Uno specchio parabolico reindirizza quindi la luce dispersa in una superficie di silicio incisa con milioni di minuscoli pilastri. I nanopillar sono specificamente progettati per modellare simultaneamente e indipendentemente tali proprietà di ciascun componente di frequenza come la sua ampiezza, fase o polarizzazione. Un secondo specchio parabolico e un reticolo di diffrazione ricombinano quindi i componenti separati in un impulso appena formato (a destra). Credito:T. Xu/Università di Nanchino
Alterando la fase, l'ampiezza o la polarizzazione di un'onda luminosa in modo altamente controllato può essere utilizzata per codificare le informazioni. Il rapido, i cambiamenti finemente sintonizzati possono essere utilizzati anche per studiare e modificare l'esito di processi chimici o biologici. Ad esempio, alterazioni in un impulso luminoso in ingresso potrebbero aumentare o diminuire il prodotto di una reazione chimica. In questi modi, il metodo nanopillar promette di aprire nuove prospettive nello studio del fenomeno ultraveloce e della comunicazione ad alta velocità.
Agrawal, insieme a Henri Lezec del NIST e ai suoi collaboratori, descrivi i risultati online oggi sulla rivista Scienza .
"Volevamo estendere l'impatto delle metasuperfici oltre la loro applicazione tipica, cambiando la forma di un fronte d'onda ottico nello spazio, e usarle invece per cambiare il modo in cui l'impulso luminoso varia nel tempo, " ha detto Lezec.
Un tipico impulso di luce laser ultraveloce dura solo pochi femtosecondi, o un millesimo di trilionesimo di secondo, troppo corto perché qualsiasi dispositivo possa modellare la luce in un determinato istante. Anziché, Agrawal, Lezec e i loro colleghi hanno ideato una strategia per modellare i singoli componenti di frequenza o colori che compongono l'impulso separando prima la luce in quei componenti con un dispositivo ottico chiamato reticolo di diffrazione.
Ogni colore ha una diversa intensità o ampiezza, simile al modo in cui un armonico musicale è composto da molte note singole che hanno volumi diversi. Quando diretto nella superficie di silicio incisa con nanopillar, diverse componenti di frequenza hanno colpito diversi insiemi di nanopilastri. Ogni set di nanopillar è stato adattato per alterare la fase, intensità o orientamento del campo elettrico (polarizzazione) dei componenti in un modo particolare. Un secondo reticolo di diffrazione ha poi ricombinato tutti i componenti per creare l'impulso di nuova forma.
I ricercatori hanno progettato il loro sistema nanopillar per funzionare con impulsi di luce ultraveloci (10 femtosecondi o meno, equivalente a un centesimo di trilionesimo di secondo) composto da un'ampia gamma di componenti di frequenza che vanno da 700 nanometri (luce rossa visibile) a 900 nanometri (vicino infrarosso). Alterando simultaneamente e indipendentemente l'ampiezza e la fase di queste componenti di frequenza, gli scienziati hanno dimostrato che il loro metodo poteva comprimere, dividere e distorcere gli impulsi in modo controllabile.
Ulteriori perfezionamenti nel dispositivo daranno agli scienziati un controllo aggiuntivo sull'evoluzione temporale degli impulsi luminosi e potrebbero consentire ai ricercatori di modellare con dettagli squisiti singole linee in un pettine di frequenza, uno strumento preciso per misurare le frequenze della luce utilizzate in dispositivi come gli orologi atomici e per identificare i pianeti intorno a stelle lontane.
