Un investigador israelí ha contribuido al desarrollo de una innovadora tecnología óptica capaz de dirigir y remodelar haces de luz en tan solo 74 femtosegundos (74 cuatrillonésimas de segundo), un avance que podría impulsar los futuros sistemas de computación óptica, comunicaciones, imágenes y detección.
La capacidad de controlar la luz es fundamental para tecnologías que van desde cámaras y sensores hasta sistemas de comunicación y computación avanzada. Sin embargo, los componentes utilizados para dirigir y moldear la luz suelen funcionar mucho más lento que la propia luz. Este nuevo estudio presenta una forma de superar esta limitación mediante una superficie óptica ultrafina programable capaz de redirigir y remodelar un haz de luz en tan solo 74 femtosegundos.
El Dr. Lior Michaeli, director del Laboratorio de Meta-Optomecánica de la Facultad de Ingeniería Fleischman de la Universidad de Tel Aviv, es coautor del estudio publicado en la revista científica Nature Nanotechnology. La investigación demuestra una nueva superficie óptica ultrafina capaz de controlar la luz de forma casi instantánea.
La investigación se llevó a cabo en el Instituto Tecnológico de California (Caltech), en el grupo del profesor Harry Atwater. Fue dirigida por el Dr. Claudio Hail, actualmente miembro del cuerpo docente de la Universidad de California, Berkeley, y contó con la participación de Michaeli como coautor.
La clave de este avance reside en una metasuperficie: una capa de material ultrafina recubierta con nanoestructuras de silicio diseñadas con precisión y de tamaño inferior a la longitud de onda de la luz. Al ser iluminadas por un pulso láser corto, las estructuras de silicio modifican temporalmente sus propiedades ópticas, lo que permite que la superficie altere rápidamente la trayectoria y la forma de otro haz de luz sin necesidad de mover espejos, lentes u otros componentes mecánicos.
En experimentos de laboratorio, los investigadores dirigieron el haz con ángulos de hasta 13 grados en cualquier dirección. Al modificar el patrón espacial del pulso de iluminación, también lograron remodelar el haz y crear diferentes patrones de luz. En otras palabras, el mismo dispositivo puede realizar distintas funciones ópticas según cómo se ilumine.
“La idea clave era crear una metasuperficie cuya respuesta óptica no fuera fija una vez fabricada”, explicó Hail. “Al cambiar el patrón de iluminación, podemos reconfigurar cómo el dispositivo dirige y da forma a la luz, y hacerlo en una escala de tiempo ultrarrápida”.
Atwater explicó que controlar un haz de luz con otro ha sido históricamente difícil porque la luz interactúa débilmente con la mayoría de los materiales.
“Por lo general, la luz interactúa débilmente con la materia, por lo que controlar un haz de luz con otro es extremadamente difícil”, afirmó. “La metasuperficie mejora esa interacción, permitiendo que una respuesta material muy pequeña y rápida produzca un cambio útil en el haz saliente”.
Michaeli afirmó que el proyecto demostraba cómo un concepto teórico podía convertirse en una realidad experimental.
“Para mí, lo más emocionante es ver cómo una idea que nos acompañaba desde hace años se convierte en una realidad experimental”, afirmó. “El efecto ultrarrápido que queríamos utilizar es, naturalmente, muy débil. Tuvimos que diseñar la metasuperficie para que amplificara el efecto lo suficiente no solo para medirlo, sino también para usarlo para dirigir y moldear la luz”.
El tiempo de conmutación medido fue similar a la duración del pulso láser, lo que sugiere que podría ser posible un funcionamiento aún más rápido con pulsos más cortos. Además, el dispositivo no tiene partes móviles y vuelve rápidamente a su estado original una vez que el pulso ha pasado.
Actualmente, muchos sistemas que utilizan la luz para la comunicación aún dependen de la conversión de señales ópticas en señales eléctricas para su procesamiento, antes de volver a convertirlas en luz. Un control óptico programable y más rápido podría reducir esta necesidad y permitir que se procese más información directamente mediante la luz.
“Este trabajo apunta a una oportunidad más amplia: utilizar estructuras diseñadas para fortalecer las interacciones entre la luz y la materia y convertirlas en herramientas para el control, detección y procesamiento de información”, dijo Michaeli. “Esto está estrechamente relacionado con las líneas de investigación que estamos desarrollando actualmente en la Universidad de Tel Aviv”.