En billion vendinger af lysnet terahertz polariserede bytes

Amerikanske og italienske ingeniører har demonstreret den første nanofotoniske platform, der er i stand til at manipulere polariseret lys 1 billioner gange i sekundet.

"Polariseret lys kan bruges til at kode informationsbidder, og vi har vist, at det er muligt at modulere sådan lys ved terahertz-frekvenser, "sagde Rice Universitets Alessandro Alabastri, co-korresponderende forfatter til en undersøgelse offentliggjort i denne uge i Naturfotonik .

"Dette kan muligvis bruges til trådløs kommunikation, " sagde Alabastri, en assisterende professor i elektro- og computerteknik ved Rice's Brown School of Engineering. "Jo højere driftsfrekvensen for et signal er, jo hurtigere kan den overføre data. En terahertz er lig med 1, 000 gigahertz, hvilket er omkring 25 gange højere end driftsfrekvenserne for kommercielt tilgængelige optiske polarisationskontakter."

Forskningen var et samarbejde mellem eksperimentelle og teoretiske teams på Rice, Polytechnic University of Milan (Politecnico) og Italian Institute of Technology (IIT) i Genova. Dette samarbejde startede i sommeren 2017, da studiets medforfatter Andrea Schirato var gæsteforsker i Rice lab af fysiker og medforfatter Peter Nordlander. Schirato er en Politecnico-IIT fælles kandidatstuderende under tilsyn af medkorresponderende forfatter Giuseppe Della Valle fra Politecnico og medforfatter Remo Proietti Zaccaria fra IIT.

Hver af forskerne arbejder med nanofotonik, et hurtigt voksende felt, der bruger ultrasmall, konstruerede strukturer til at manipulere lys. Deres idé til ultrahurtig polarisationskontrol var at udnytte små, flygtige variationer i genereringen af ​​højenergielektroner i en plasmonisk metaoverflade.

Metasurfaces er ultratynde film eller ark, der indeholder indlejrede nanopartikler, der interagerer med lys, når det passerer gennem filmen. Ved at variere størrelsen, form og makeup af de indlejrede nanopartikler og ved at arrangere dem i præcise todimensionelle geometriske mønstre, ingeniører kan lave metaoverflader, der opdeler eller omdirigerer specifikke bølgelængder af lys med præcision.

"En ting, der adskiller dette fra andre tilgange, er vores afhængighed af en iboende ultrahurtig bredbåndsmekanisme, der finder sted i de plasmoniske nanopartikler, "Sagde Alabastri.

Rice-Politecnico-IIT-teamet designede en metasurface, der indeholdt rækker af krydsformede guld-nanopartikler. Hvert plasmonisk kryds var omkring 100 nanometer bredt og resonerede med en specifik lysfrekvens, der gav anledning til et forstærket lokaliseret elektromagnetisk felt. Takket være denne plasmoniske effekt, holdets metasurface var en platform til at generere højenergielektroner.

"Når en laserlysimpuls rammer en plasmonisk nanopartikel, det ophidser de frie elektroner i det, at hæve nogle til høje energiniveauer, der er ude af ligevægt, " sagde Schirato. "Det betyder, at elektronerne er 'ubehagelige' og ivrige efter at vende tilbage til en mere afslappet tilstand. De vender tilbage til ligevægt på meget kort tid, mindre end et picosekund."

På trods af det symmetriske arrangement af kryds i metasoverfladen, ikke -ligevægtstilstanden har asymmetriske egenskaber, der forsvinder, når systemet vender tilbage til ligevægt. For at udnytte dette ultrahurtige fænomen til polarisationskontrol, forskerne brugte en to-laser opsætning. Eksperimenter udført af studieforfatter Margherita Maiuri ved Politecnicos ultrahurtige spektroskopi-laboratorier-og bekræftet af teamets teoretiske forudsigelser-brugte en ultrakort lyspuls fra en laser til at ophidse krydsene, giver dem mulighed for at modulere polariseringen af ​​lys i en anden puls, der ankom mindre end et picosekund efter den første.

"Nøglepunktet er, at vi kunne opnå kontrol af lyset med selve lyset, udnytter ultrahurtige elektroniske mekanismer, der er særegne ved plasmoniske metaoverflader, " sagde Alabastri. "Ved at designe vores nanostrukturer korrekt, vi har demonstreret en ny tilgang, der potentielt vil give os mulighed for optisk at transmittere bredbåndsinformation kodet i lysets polarisering med hidtil uset hastighed."