Duas equipas de pesquisa na China apresentaram abordagens independentes para manipular a luz de formas até agora inalcançáveis. Os grupos, liderados por Jiahao Wang, da Universidade de Nanjing, e Li Niu, da Universidade de Tianjin, desenvolveram metassuperfícies capazes de controlar feixes com elevada precisão, abrindo caminho para dispositivos ópticos mais compactos, multicanal e adequados a comunicações de alta capacidade.
Divisão de um feixe em dois canais independentes
No laboratório de fotónica da Universidade de Nanjing, Jiahao Wang e colegas conceberam uma metassuperfície que recebe um feixe incidente e o transforma em dois novos feixes, cada um com comportamento totalmente autónomo. A estrutura mantém a nitidez ao longo de diversas cores e frequências, permitindo curvar ou focar a luz de modo distinto em cada saída sem interferência mútua.
O resultado foi demonstrado em experiências de direcionamento estável de feixes e em lentes de duplo foco que operam desde micro-ondas até luz visível. Segundo os autores, a técnica supera a limitação comum das metassuperfícies acromáticas atuais, que normalmente manipulam apenas um dos spins dos fótons ou impõem o mesmo padrão de dispersão aos dois canais de spin.
Para alcançar a separação funcional, os engenheiros desenharam meta-átomos capazes de ajustar o atraso de grupo de cada spin individualmente. A fase foi definida combinando variação de frequência com rotação local da nanoestrutura, estratégia que manteve a diafonia em níveis reduzidos. O design resultou de um processo inverso que integrou algoritmos genéticos e aprendizagem profunda, acelerando a procura pela geometria ideal.
Ao tratar os dois estados de spin como graus de liberdade independentes, a equipa prevê sistemas ópticos compactos com múltiplas funções embutidas num único componente. Aplicações potenciais incluem imagem multiespectral, sensores avançados e plataformas de multiplexação que exigem controlo de fase e de atraso de grupo em canais paralelos.
Geração de vórtices elétricos e magnéticos em terahertz
Em Tianjin, Li Niu e colaboradores construíram uma metassuperfície não linear que converte pulsos de laser de femtossegundo, emitidos no infravermelho próximo, em pulsos toroidais de terahertz com formato de vórtice. O dispositivo produz dois tipos de skyrmions – padrões de luz em anel altamente estáveis – um de natureza elétrica e outro magnética.
Esta é a primeira demonstração experimental de skyrmions que podem ser alternados ativamente entre configurações elétricas e magnéticas dentro do mesmo pulso terahertz. A alternância sob demanda ocorre na mesma plataforma integrada e sem componentes móveis, fator considerado essencial para codificação fiável de dados em futuras ligações sem fio de ultra-alta velocidade.
Imagem: NewsUp Brasil
Metassuperfícies finas e passivas, como a apresentada, permitem níveis de controlo que os elementos ópticos tradicionais não oferecem. A estrutura proposta mantém os vórtices intactos mesmo perante perturbações externas, característica valiosa para sistemas de comunicação que exigem robustez contra interferências.
Implicações tecnológicas
As duas abordagens revelam caminhos complementares para integrar múltiplas funcionalidades ópticas em superfícies planas de escala nanométrica. A possibilidade de dividir feixes segundo o spin e de alternar vórtices elétricos e magnéticos pode acelerar o desenvolvimento de:
• Dispositivos de imagem multiespectral: a capacidade de focar e dirigir feixes independentes em várias bandas facilita câmaras compactas com diferentes canais de cor ou de frequência.
• Sensores multiplexados: sistemas que exigem análise simultânea de diversos sinais luminosos podem beneficiar do controlo separado de fase e atraso.
• Comunicações sem fio em terahertz: vórtices estáveis servem como portadores adicionais de informação, aumentando a taxa de dados sem ampliar a largura de banda convencional.
• Plataformas integradas de fotónica: componentes ultrafinos reduzem volume, peso e custo enquanto mantêm desempenho elevado.
Embora os trabalhos ainda se encontrem em fase laboratorial, ambas as equipas sublinham que os processos de fabrico utilizados são compatíveis com técnicas de litografia já implementadas na indústria de semicondutores. Assim, a transição para protótipos comerciais pode ocorrer num horizonte de médio prazo, condicionada apenas à validação de confiabilidade em ambientes reais.
