Figura 1. La metasuperficie progettata dal team che dimostra la modulazione di fase 2π sintonizzabile completa utilizzando l'incrocio evitato di due risonanze. Credito:Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)
Un team internazionale di ricercatori guidato dal professor Min Seok Jang di KAIST e dal professor Victor W. Brar dell'Università del Wisconsin-Madison ha dimostrato una metodologia ampiamente applicabile che consente una modulazione di fase attiva completa a 360° per le metasuperfici mantenendo livelli significativi di ampiezza della luce uniforme . Questa strategia può essere fondamentalmente applicata a qualsiasi regione spettrale con qualsiasi struttura e risonanza adatta.
Le metasuperfici sono componenti ottici con funzionalità specializzate indispensabili per applicazioni nella vita reale che vanno da LIDAR e spettroscopia a tecnologie futuristiche come mantelli dell'invisibilità e ologrammi. Sono noti per la loro natura compatta e di micro/nano dimensioni, che consente loro di essere integrati in sistemi elettronici computerizzati con dimensioni in continua diminuzione come previsto dalla legge di Moore.
Per consentire tali innovazioni, le metasuperfici devono essere in grado di manipolare la luce che entra, manipolando l'ampiezza o la fase della luce (o entrambe) ed emettendola indietro. Tuttavia, la modulazione dinamica della fase con l'intervallo del cerchio completo è stato un compito notoriamente difficile, con pochissimi lavori che sono riusciti a farlo sacrificando una notevole quantità di controllo dell'ampiezza.
Sfidato da queste limitazioni, il team ha proposto una metodologia generale che consente alle metasuperfici di implementare una modulazione di fase dinamica con l'intero intervallo di fase a 360°, mantenendo nel contempo uniformemente livelli significativi di ampiezza.
La ragione alla base della difficoltà di raggiungere una tale impresa è che esiste un compromesso fondamentale per quanto riguarda il controllo dinamico della fase ottica della luce. Le metasuperfici generalmente svolgono tale funzione attraverso risonanze ottiche, un'eccitazione di elettroni all'interno della struttura della metasuperficie che oscillano armonicamente insieme alla luce incidente. Per poter modulare l'intera gamma di 0–360°, la frequenza di risonanza ottica (il centro dello spettro) deve essere sintonizzata di una grande quantità mentre la larghezza di riga (l'ampiezza dello spettro) è ridotta al minimo . Tuttavia, per sintonizzare elettricamente la frequenza di risonanza ottica della metasuperficie su richiesta, è necessario un afflusso e un deflusso controllabili di elettroni nella metasuperficie e questo porta inevitabilmente a una larghezza di linea maggiore della summenzionata risonanza ottica.
Figura 2. a:Traiettorie complesse del coefficiente di riflessione con diversi valori di mobilità per il caso del foglio di grafene. La modulazione di fase 2π completa non si verifica senza l'incrocio evitato con i plasmoni di grafene, nonostante le mobilità crescenti e quindi le larghezze di linea decrescenti. b:Traiettorie complesse del coefficiente di riflessione con diversi valori di mobilità per la custodia del nastro di grafene. Credito:Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)
Il problema è ulteriormente aggravato dal fatto che la fase e l'ampiezza delle risonanze ottiche sono strettamente correlate in modo complesso e non lineare, rendendo molto difficile mantenere un controllo sostanziale sull'ampiezza mentre si cambia la fase.
Il lavoro del team ha aggirato entrambi i problemi utilizzando due risonanze ottiche, ciascuna con proprietà specificatamente designate. Una risonanza fornisce il disaccoppiamento tra la fase e l'ampiezza in modo che la fase possa essere sintonizzata mentre vengono mantenuti livelli di ampiezza significativi e uniformi, oltre a fornire una larghezza di linea ridotta.
L'altra risonanza fornisce la capacità di essere sufficientemente sintonizzata in larga misura in modo da ottenere l'intera gamma di modulazione di fase del cerchio completo. La quintessenza del lavoro è quindi quella di combinare le diverse proprietà delle due risonanze attraverso un fenomeno chiamato incrocio evitato, in modo che le interazioni tra le due risonanze portino a una fusione dei tratti desiderati che raggiunge e addirittura supera la piena modulazione di fase a 360° con ampiezza uniforme.
Il professor Jang ha affermato:"La nostra ricerca propone una nuova metodologia nella modulazione di fase dinamica che rompe i limiti e i compromessi convenzionali, pur essendo ampiamente applicabile in diversi tipi di metasuperfici. Ci auguriamo che questa idea aiuti i ricercatori a implementare e realizzare molte applicazioni chiave di metasuperfici, come LIDAR e ologrammi, in modo che l'industria della nanofotonica continui a crescere e fornisca un futuro tecnologico più luminoso."
Il documento di ricerca scritto da Ju Young Kim e Juho Park, et al., e intitolato "Full 2π Tunable Phase Modulation Using Avoided Crossing of Resonances" è stato pubblicato in Nature Communications il 19 aprile. + Esplora ulteriormente
