Amerikanska och italienska ingenjörer har demonstrerat den första nanofotoniska plattformen som kan manipulera polariserat ljus 1 biljon gånger per sekund.

"Polariserat ljus kan användas för att koda bitar av information, och vi har visat att det är möjligt att modulera sådant ljus vid terahertz-frekvenser, " sa Rice Universitys Alessandro Alabastri, motsvarande författare till en studie som publicerades denna vecka i Naturfotonik .

"Detta kan potentiellt användas i trådlös kommunikation, sa Alabastri, en biträdande professor i el- och datorteknik vid Rice's Brown School of Engineering. "Ju högre driftsfrekvens en signal har, desto snabbare kan den överföra data. En terahertz är lika med 1, 000 gigahertz, vilket är cirka 25 gånger högre än driftsfrekvenserna för kommersiellt tillgängliga optiska polarisationsomkopplare."

Forskningen var ett samarbete mellan experimentella och teoretiska team på Rice, Polytechnic University of Milano (Politecnico) och Italian Institute of Technology (IIT) i Genua. Detta samarbete startade sommaren 2017, när studiens första författare Andrea Schirato var gästforskare i fysikern och medförfattaren Peter Nordlanders rislab. Schirato är en gemensam forskarstuderande Politecnico-IIT under överinseende av medförhörande författare Giuseppe Della Valle från Politecnico och medförfattare Remo Proietti Zaccaria från IIT.

Var och en av forskarna arbetar med nanofotonik, ett snabbt växande fält som använder ultrasmall, konstruerade strukturer för att manipulera ljus. Deras idé för ultrasnabb polarisationskontroll var att dra nytta av små, flyktiga variationer i genereringen av högenergielektroner i en plasmonisk metayta.

Metasurfaces är ultratunna filmer eller ark som innehåller inbäddade nanopartiklar som interagerar med ljus när det passerar genom filmen. Genom att variera storleken, form och smink av de inbäddade nanopartiklarna och genom att ordna dem i exakta tvådimensionella geometriska mönster, ingenjörer kan skapa metasytor som delar eller omdirigerar specifika våglängder av ljus med precision.

"En sak som skiljer detta från andra tillvägagångssätt är vårt beroende av en i sig själv ultrasnabb bredbandsmekanism som äger rum i de plasmoniska nanopartiklarna, sa Alabastri.

Rice-Politecnico-IIT-teamet designade en metayta som innehöll rader av korsformade guldnanopartiklar. Varje plasmoniskt kors var cirka 100 nanometer brett och gav resonans med en specifik ljusfrekvens som gav upphov till ett förstärkt lokaliserat elektromagnetiskt fält. Tack vare denna plasmoniska effekt, teamets metasurface var en plattform för att generera elektroner med hög energi.

"När en laserljuspuls träffar en plasmonisk nanopartikel, den exciterar de fria elektronerna i den, höja vissa till höga energinivåer som inte är i jämvikt, ", sade Schirato. "Det betyder att elektronerna är "obekväma" och ivriga att återvända till ett mer avslappnat tillstånd. De återgår till en jämvikt på mycket kort tid, mindre än en picosekund. "

Trots det symmetriska arrangemanget av kors i metaytan, icke -jämviktstillståndet har asymmetriska egenskaper som försvinner när systemet återgår till jämvikt. För att utnyttja detta ultrasnabba fenomen för polarisationskontroll, forskarna använde en tvålaserinstallation. Experiment utförda av studiens första författare Margherita Maiuri vid Politecnicos ultrasnabba spektroskopilaboratorier - och bekräftade av teamets teoretiska förutsägelser - använde en ultrakort ljuspuls från en laser för att excitera korsen, så att de kan modulera ljusets polarisering i en andra puls som kom mindre än en pikosekund efter den första.

"Nyckelpunkten är att vi kan uppnå kontroll av ljuset med själva ljuset, utnyttja ultrasnabba elektroniska mekanismer som är speciella för plasmoniska metasytor, "Sade Alabastri." Genom att designa våra nanostrukturer korrekt, vi har visat ett nytt tillvägagångssätt som potentiellt kommer att tillåta oss att optiskt överföra bredbandsinformation kodad i ljusets polarisering med oöverträffad hastighet."