A descoberta, publicada revista Science, levou a uma reformulação das leis matemáticas que predizem o caminho de um raio de luz refletidos uma superfície ou que viajam de um meio para outro - por exemplo, do ar para o vidro. "Usando superfícies de designer, nós criamos os efeitos de um espelho de parque de diversões numa superfície plana", diz o co-investigador principal Federico Capasso, Professor de Física Aplicada na SEAS . "A nossa descoberta leva a óptica para um novo território e abre a porta para desenvolvimentos emocionantes na tecnologia fotónica."
Tem sido reconhecido desde os tempos antigos que a luz viaja em velocidades diferentes através de diferentes meios. A reflexão e a refração ocorrem sempre que a luz encontra um material num determinado ângulo, porque um lado do feixe é capaz de viajar à frente do outro. Como resultado, a frente de onda muda de direção. As leis convencionais, ensinados nas aulas de física no mundo todo, prevêem os ângulos de reflexão e refração baseados apenas sobre o ângulo incidente (de entrada) e as propriedades dos dois meios.
Enquanto estudava o comportamento da luz sobre superfícies modeladas com nanoestruturas metálicas, os pesquisadores perceberam que as equações atuais eram insuficientes para descrever os fenómenos bizarros observado no laboratório. As novas leis generalizadas, derivados e demonstradas experimentalmente em Harvard, têm em conta a descoberta do grupo de Capasso. em que a fronteira entre dois meios, com padrões especiais, pode-se comportar como um terceiro meio.
"Normalmente, uma superfície como a superfície de um lago é simplesmente uma fronteira geométrica entre dois meios, ar e água", explica o autor Nanfang Yu. "Mas agora, neste caso especial, a fronteira torna-se uma interface ativa que pode curvar a luz por si só."
O componente chave é um conjunto de antenas minúsculas feitas de ouro que existem na superfície do silício usado no laboratório de Capasso. A matriz é estruturada numa escala muito mais pequena do que o comprimento de onda da luz a bater. Isto significa que, ao contrário de um sistema óptico convencional, o limite de engenharia entre o ar e o silício transmite uma abrupta mudança de fase (apelidado de "descontinuidade de fase") para as cristas da onda de luz que o atravessam.
Cada antena na matriz é um ressonador minúsculo que pode aprisionar a luz, segurando a sua energia por um determinado período de tempo antes de a libertar. Um gradiente de diferentes tipos de ressonadores em nanoescala em toda a superfície do silício pode efetivamente dobrar a luz antes que ele se comece a propagar através do novo meio. O fenómeno resultante quebra as regras antigas, criando feixes de luz que refletem e refratam de forma arbitrária, dependendo do padrão de superfície.
De forma a generalizar as leis de reflexão e de refração, presentes nos livros de texto, os pesquisadores de Harvard adicionaran um novo termo para as equações, representando o gradiente de mudança de fase transmitida na fronteira. Na ausência de um gradiente de superfície, as novas leis reduzem-se às já bem conhecidas.
"Ao incorporar um gradiente de descontinuidades de fase através da interface, as leis da reflexão e da refração tornam-se leis de designer, e uma panóplia de novos fenómenos aparecem", diz Zeno Gaburro, investigador visitante no grupo Capasso e co-investigador principal deste trabalho . "O feixe refletido pode saltar para trás em vez de para a frente. Pode-se criar um índice de refração negativo. Existe um novo ângulo de reflexão interna total." Além disso, a frequência (cor), amplitude (brilho), e polarização da luz também podem ser controlados, o que significa que a saída é, em essência, um feixe de designer.
Os pesquisadores já conseguiram produzir um feixe de vórtice (corrente de luz em forma helicoidal, tipo saca-rolhas) a partir de uma superfície plana. Eles também prevêem que lentes planas poderiam focar uma imagem sem alterações na imagem.
Tem sido reconhecido desde os tempos antigos que a luz viaja em velocidades diferentes através de diferentes meios. A reflexão e a refração ocorrem sempre que a luz encontra um material num determinado ângulo, porque um lado do feixe é capaz de viajar à frente do outro. Como resultado, a frente de onda muda de direção. As leis convencionais, ensinados nas aulas de física no mundo todo, prevêem os ângulos de reflexão e refração baseados apenas sobre o ângulo incidente (de entrada) e as propriedades dos dois meios.
Enquanto estudava o comportamento da luz sobre superfícies modeladas com nanoestruturas metálicas, os pesquisadores perceberam que as equações atuais eram insuficientes para descrever os fenómenos bizarros observado no laboratório. As novas leis generalizadas, derivados e demonstradas experimentalmente em Harvard, têm em conta a descoberta do grupo de Capasso. em que a fronteira entre dois meios, com padrões especiais, pode-se comportar como um terceiro meio.
"Normalmente, uma superfície como a superfície de um lago é simplesmente uma fronteira geométrica entre dois meios, ar e água", explica o autor Nanfang Yu. "Mas agora, neste caso especial, a fronteira torna-se uma interface ativa que pode curvar a luz por si só."
O componente chave é um conjunto de antenas minúsculas feitas de ouro que existem na superfície do silício usado no laboratório de Capasso. A matriz é estruturada numa escala muito mais pequena do que o comprimento de onda da luz a bater. Isto significa que, ao contrário de um sistema óptico convencional, o limite de engenharia entre o ar e o silício transmite uma abrupta mudança de fase (apelidado de "descontinuidade de fase") para as cristas da onda de luz que o atravessam.
Cada antena na matriz é um ressonador minúsculo que pode aprisionar a luz, segurando a sua energia por um determinado período de tempo antes de a libertar. Um gradiente de diferentes tipos de ressonadores em nanoescala em toda a superfície do silício pode efetivamente dobrar a luz antes que ele se comece a propagar através do novo meio. O fenómeno resultante quebra as regras antigas, criando feixes de luz que refletem e refratam de forma arbitrária, dependendo do padrão de superfície.
De forma a generalizar as leis de reflexão e de refração, presentes nos livros de texto, os pesquisadores de Harvard adicionaran um novo termo para as equações, representando o gradiente de mudança de fase transmitida na fronteira. Na ausência de um gradiente de superfície, as novas leis reduzem-se às já bem conhecidas.
"Ao incorporar um gradiente de descontinuidades de fase através da interface, as leis da reflexão e da refração tornam-se leis de designer, e uma panóplia de novos fenómenos aparecem", diz Zeno Gaburro, investigador visitante no grupo Capasso e co-investigador principal deste trabalho . "O feixe refletido pode saltar para trás em vez de para a frente. Pode-se criar um índice de refração negativo. Existe um novo ângulo de reflexão interna total." Além disso, a frequência (cor), amplitude (brilho), e polarização da luz também podem ser controlados, o que significa que a saída é, em essência, um feixe de designer.
Os pesquisadores já conseguiram produzir um feixe de vórtice (corrente de luz em forma helicoidal, tipo saca-rolhas) a partir de uma superfície plana. Eles também prevêem que lentes planas poderiam focar uma imagem sem alterações na imagem.
Fonte: Science Daily
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