Dwie niezależne drogi dla światła w jednej warstwie
Yijun Feng i Ke Chen wraz z grupą badawczą stworzyli specjalną meta-powierzchnię. Opiera się ona na hybrydowej metodzie kontroli dyspersji. To nie zwykła soczewka, a ultracienka struktura, która łączy dwa typy faz geometrycznych: Aharonova-Anandana oraz Pancharatnama-Berry’ego. W praktyce oznacza to, że światło o prawo- i lewoskrętnej polaryzacji kołowej może podążać odrębnymi ścieżkami, a każda z nich pozostaje wolna od wspomnianych zniekształceń kolorów. Wcześniejsze rozwiązania tego typu zazwyczaj działały tylko z jednym rodzajem polaryzacji albo zmuszały obie do współdzielenia tych samych właściwości. To trochę jak próba prowadzenia dwóch osobnych rozmów przez jeden głośnomówiący – da się, ale z ograniczeniami. Nowa metoda pozwala na pełną niezależność każdego kanału.
Czytaj też: Fizycy odkryli lewitujące kryształy czasu. Możesz wziąć je w ręce i wykorzystać na wiele sposobów
Sekret tkwi w mikroskopijnych elementach konstrukcyjnych, tzw. meta-atomach. Naukowcy zaprojektowali je tak, by wewnątrz płynęły asymetryczne prądy. Gdy na taką strukturę trafia światło o różnych polaryzacjach, odbija się ono różnymi drogami. Jeden rodzaj fazy zapewnia odblokowanie spinu, a drugi umożliwia pełną, 360-stopniową kontrolę nad fazą. Dzięki temu inżynierowie mogą osobno regulować opóźnienie grupowe dla każdej polaryzacji, dostrajając siłę rezonansu oraz kontrolować fazę poprzez zmianę częstotliwości i rotację struktury. Mają do dyspozycji dwa całkowicie niezależne „pokrętła” do precyzyjnego sterowania światłem.
Eksperymenty potwierdziły założenia
Zespół przetestował swoje podejście, tworząc deflektory wiązek i meta-soczewki działające w zakresie mikrofal i fal terahercowych. Wyniki były zgodne z przewidywaniami. Jedna meta-soczewka była w stanie skupiać światło o prawo- i lewoskrętnej polaryzacji w różnych odległościach – 160 mm i 200 mm – robiąc to jednocześnie i bez aberracji w szerokim zakresie częstotliwości. Średnia wydajność tego ogniskowania wyniosła około 50% w całym paśmie roboczym. Choć ta liczba sama w sobie nie robi wrażenia, to w kontekście ultracienkiej struktury obsługującej dwa niezależne kanały jest to istotny wynik. Co zachęcające, metoda nie jest przypisana do konkretnego zakresu fal. Mówiąc krótko, sprawdziła się zarówno w mikrofalach, jak i terahercach, co wskazuje na jej uniwersalny charakter.
Czytaj też: Kontekstowość kwantowa od Google robi furorę. Willow pokonuje klasyczne maszyny
Badacze rozważają już przeniesienie tej technologii na zakres światła widzialnego, wykorzystując do tego meta-atomy dielektryczne lub plazmoniczne. Potencjalnym zastosowaniem jest obrazowanie z multipleksowaniem polaryzacyjnym, które mogłoby poprawić jakość obrazów medycznych czy satelitarnych. Kolejnym celem są kompaktowe, wielofunkcyjne układy optyczne. Zamiast zestawu ciężkich soczewek i filtrów, wiele zadań mogłaby przejąć pojedyncza, niezwykle cienka warstwa. To szczególnie atrakcyjna wizja dla twórców przenośnej elektroniki i czujników w autonomicznych pojazdach, gdzie liczy się każdy gram i milimetr. Zespół planuje też wykorzystać algorytmy optymalizacyjne, w tym te oparte na uczeniu maszynowym, do dalszego udoskonalania projektów. Traktowanie dwóch kanałów spinowych jako w pełni niezależnych zmiennych otwiera drogę do nowatorskich rozwiązań w zintegrowanej optyce.