Amerikaanse en Italiaanse ingenieurs hebben het eerste nanofotonische platform gedemonstreerd dat in staat is gepolariseerd licht 1 biljoen keer per seconde te manipuleren.

"Gepolariseerd licht kan worden gebruikt om stukjes informatie te coderen, en we hebben laten zien dat het mogelijk is om dergelijk licht te moduleren op terahertz frequenties, " zei Alessandro Alabastri van Rice University, co-corresponderende auteur van een studie die deze week is gepubliceerd in Natuurfotonica .

"Dit kan mogelijk worden gebruikt in draadloze communicatie, " zei Alabastri, een assistent-professor elektrische en computertechniek aan de Brown School of Engineering van Rice. "Hoe hoger de werkfrequentie van een signaal, hoe sneller het gegevens kan verzenden. Een terahertz is gelijk aan 1, 000 gigahertz, wat ongeveer 25 keer hoger is dan de werkfrequenties van in de handel verkrijgbare optische polarisatieschakelaars."

Het onderzoek was een samenwerking tussen experimentele en theoretische teams bij Rice, de Polytechnische Universiteit van Milaan (Politecnico) en het Italiaanse Instituut voor Technologie (IIT) in Genua. Deze samenwerking startte in de zomer van 2017, toen co-eerste auteur Andrea Schirato een gastonderzoeker was in het Rice-lab van natuurkundige en co-auteur Peter Nordlander. Schirato is een gezamenlijke student van Politecnico-IIT onder toezicht van co-corresponderende auteur Giuseppe Della Valle van Politecnico en co-auteur Remo Proietti Zaccaria van IIT.

Elk van de onderzoekers werkt in nanofotonica, een snelgroeiend veld dat gebruik maakt van ultrakleine, geconstrueerde structuren om licht te manipuleren. Hun idee voor ultrasnelle polarisatiecontrole was om te profiteren van kleine, vluchtige variaties in het genereren van hoogenergetische elektronen in een plasmonisch meta-oppervlak.

Metasurfaces zijn ultradunne films of vellen die ingebedde nanodeeltjes bevatten die interageren met licht terwijl het door de film gaat. Door de grootte te variëren, vorm en samenstelling van de ingebedde nanodeeltjes en door ze in precieze tweedimensionale geometrische patronen te rangschikken, ingenieurs kunnen meta-oppervlakken maken die specifieke golflengten van licht met precisie splitsen of omleiden.

"Een ding dat dit onderscheidt van andere benaderingen, is onze afhankelijkheid van een intrinsiek ultrasnel breedbandmechanisme dat plaatsvindt in de plasmonische nanodeeltjes, ' zei Alabastri.

Het Rice-Politecnico-IIT-team ontwierp een meta-oppervlak dat rijen kruisvormige gouden nanodeeltjes bevatte. Elk plasmonisch kruis was ongeveer 100 nanometer breed en resoneerde met een specifieke lichtfrequentie die aanleiding gaf tot een versterkt gelokaliseerd elektromagnetisch veld. Dankzij dit plasmonische effect, het meta-oppervlak van het team was een platform voor het genereren van hoogenergetische elektronen.

"Als een laserlichtpuls een plasmonisch nanodeeltje raakt, het prikkelt de vrije elektronen erin, sommige verhogen tot hoge energieniveaus die niet in evenwicht zijn, "Zei Schirato. "Dat betekent dat de elektronen 'ongemakkelijk' zijn en graag willen terugkeren naar een meer ontspannen toestand. Ze keren in zeer korte tijd terug naar een evenwicht, minder dan één picoseconde."

Ondanks de symmetrische opstelling van kruisen in het meta-oppervlak, de niet-evenwichtstoestand heeft asymmetrische eigenschappen die verdwijnen wanneer het systeem terugkeert naar evenwicht. Om dit ultrasnelle fenomeen te benutten voor polarisatiecontrole, de onderzoekers gebruikten een opstelling met twee lasers. Experimenten uitgevoerd door studie co-eerste auteur Margherita Maiuri in de ultrasnelle spectroscopielaboratoria van Politecnico - en bevestigd door de theoretische voorspellingen van het team - gebruikten een ultrakorte lichtpuls van één laser om de kruisen te exciteren, waardoor ze de polarisatie van licht kunnen moduleren in een tweede puls die minder dan een picoseconde na de eerste arriveerde.

"Het belangrijkste punt is dat we de controle over licht kunnen bereiken met licht zelf, gebruikmakend van ultrasnelle elektronische mechanismen die eigen zijn aan plasmonische meta-oppervlakken, "Alabastri zei. "Door onze nanostructuren goed te ontwerpen, we hebben een nieuwe benadering gedemonstreerd die ons mogelijk in staat zal stellen om breedbandinformatie die is gecodeerd in de polarisatie van licht met ongekende snelheid optisch te verzenden."