Los investigadores de la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur (SUTD) desarrollaron una novedosa metasuperficie bicapa que permite emitir ondas polarizadas circularmente unidireccionales, abriendo posibilidades en los campos de las comunicaciones ópticas, la computación cuántica, así como la detección biológica y química.
La fotónica es el estudio de la generación, detección y manipulación de las ondas de luz en forma de fotones. Una propiedad interesante de la luz es la polarización, definida por sus campos eléctricos y magnéticos que oscilan en cualquier dirección perpendicular a la dirección de propagación. La polarización circular se produce cuando las ondas de luz tienen campos eléctricos que siguen una trayectoria en espiral a lo largo de la dirección de propagación.
Los mejores emisores de luz compactos son los puntos cuánticos, nanocristales semiconductores con comportamientos mecánicos cuánticos gracias a su pequeño tamaño (2-10 nanómetros). La luz emitida va en todas direcciones y tiene una polarización deficiente, pero al colocarla junto a nanoestructuras se permite la emisión direccional o la polarización circular. Sin embargo, nunca se ha logrado el control simultáneo de la dirección y la polarización.
En este contexto, los investigadores del SUTD tuvieron que controlar la dirección del haz emitido y la polarización de la luz, mientras utilizaban una resonancia de la estructura diseñada con precisión. Además, una onda polarizada circularmente es quiral, lo que significa que su imagen especular no se puede superponer sobre ella. Para crear una estructura que emita ondas quirales, se deben romper todas las simetrías especulares de la estructura, lo que hace que tengan diseños inusuales.
Metasuperficies bicapa retorcidas
Inspirado por una escalera en espiral y un tambor de dos cabezas, los investigadores desarrollaron primero el diseño de metasuperficies bicapa retorcidas, que consisten en dos capas de discos dispuestos periódicamente con muescas talladas en ángulos específicos. El elemento clave que hace que esta estructura sea exitosa es su diseño bicapa. Dado que ambas capas se pueden controlar individualmente antes de su acoplamiento, la metasuperficie proporciona versatilidad y sinergia.
Con este diseño, el equipo pudo controlar tres parámetros esenciales para el control preciso de la emisión: la distancia entre las dos capas, el ángulo entre las muescas de los discos superior e inferior y el desplazamiento lateral de los centros de los discos superiores con respecto a los inferiores.
El desarrollo de estas metasuperficies bicapa tiene varios beneficios. En teoría, permite avanzar en la comprensión de las resonancias en sistemas multicapa, los enfoques de diseño y la tecnología de fabricación. En la práctica, permite la emisión direccional asimétrica de ondas con propiedades personalizadas. La nanoestructura puede entonces funcionar como emisores eficientes, enrutadores o acopladores de rejilla de ondas polarizadas circularmente, entre otras cosas.
Como próximo paso, el equipo pretende integrar su diseño de bicapa con sistemas nanoelectromecánicos para lograr sistemas de metasuperficies quirales reconfigurables que puedan manipular activamente el ángulo de emisión de luz, la longitud de onda y la polarización.