Việc tạo ra các thiết bị cực nhỏ có khả năng dẫn hướng và điều khiển ánh sáng một cách chính xác là một thách thức quan trọng đối với nhiều công nghệ mới. Các nhà khoa học tại Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Tiên tiến thuộc Trung tâm Sau đại học CUNY (CUNY ASRC) đã đạt được một bước tiến quan trọng bằng cách phát triển một siêu bề mặt có thể chuyển đổi ánh sáng hồng ngoại vô hình thành ánh sáng nhìn thấy được và hướng nó theo các hướng cụ thể mà không cần dựa vào bất kỳ bộ phận chuyển động nào. Phát hiện của họ được mô tả trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí eLight.

Bề mặt siêu vật liệu mới có dạng một con chip siêu mỏng được bao phủ bởi các cấu trúc nhỏ hơn cả bước sóng ánh sáng. Khi tia laser hồng ngoại chiếu vào bề mặt, con chip sẽ chuyển đổi ánh sáng sang màu (hoặc tần số) cao hơn và phát ra dưới dạng một chùm tia hội tụ mạnh. Hướng của chùm tia đó có thể được điều chỉnh đơn giản bằng cách thay đổi độ phân cực của ánh sáng chiếu vào.

Trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã chuyển đổi ánh sáng hồng ngoại có bước sóng khoảng 1530 nanomet, tương tự như loại được sử dụng trong hệ thống truyền thông cáp quang, thành ánh sáng xanh lục có thể nhìn thấy được ở khoảng 510 nanomet. Họ cũng có thể điều hướng chùm tia phát ra theo các góc đã chọn với độ chính xác cao.

“Hãy hình dung nó như một chiếc đèn pha siêu nhỏ, phẳng, không chỉ thay đổi màu sắc ánh sáng mà còn điều chỉnh hướng chùm sáng đến bất cứ đâu bạn muốn, tất cả chỉ trên một con chip duy nhất”, Andrea Alu, giám đốc sáng lập Sáng kiến ​​Quang tử CUNY ASRC và Giáo sư danh dự tại Trung tâm Sau đại học CUNY, cho biết. “Bằng cách kết hợp các phần khác nhau của bề mặt, chúng ta có được cả khả năng chuyển đổi ánh sáng rất hiệu quả và khả năng kiểm soát chính xác hướng chiếu của ánh sáng”.

Các siêu bề mặt từ lâu đã được các kỹ sư sử dụng để bẻ cong, tập trung và định hình ánh sáng bằng các cấu trúc phẳng, kích thước nano. Tuy nhiên, các hệ thống này thường phải đối mặt với một sự đánh đổi khó khăn.

Một số thiết kế cho phép điều khiển chính xác bằng cách điều chỉnh ánh sáng tại từng điểm riêng lẻ trên bề mặt, nhưng chúng không hiệu quả lắm trong việc tăng cường tín hiệu ánh sáng. Các thiết kế khác cho phép sóng ánh sáng tương tác trên toàn bộ bề mặt, điều này có thể tăng hiệu quả đáng kể, nhưng cách tiếp cận này thường phải hy sinh khả năng kiểm soát chi tiết về hình dạng và hướng của chùm tia.

Thiết bị mới được phát triển tại CUNY là thiết bị đầu tiên khắc phục được hạn chế này đối với việc tạo ra ánh sáng phi tuyến tính, một quá trình trong đó một màu ánh sáng được chuyển đổi thành màu khác. Con chip sử dụng hiện tượng cộng hưởng tập thể được gọi là trạng thái bán liên kết trong vùng liên tục để giữ lại và tăng cường ánh sáng hồng ngoại chiếu vào trên toàn bộ bề mặt. Đồng thời, mỗi phần tử cấu trúc nhỏ được xoay theo một mô hình được lên kế hoạch cẩn thận, cho phép ánh sáng phát ra có được pha phụ thuộc vào vị trí tương tự như hiệu ứng của thấu kính hoặc lăng kính tích hợp.

Nhờ thiết kế này, siêu vật liệu tạo ra ánh sáng hài bậc ba, nghĩa là ánh sáng phát ra có tần số gấp ba lần ánh sáng chiếu vào, đồng thời điều hướng ánh sáng theo các hướng cụ thể. Thay đổi độ phân cực của chùm tia chiếu vào sẽ đảo ngược hướng điều hướng, cung cấp một cách đơn giản và hiệu quả để kiểm soát hướng đi của ánh sáng.

Kết quả là, tín hiệu hài bậc ba do chip tạo ra hiệu quả hơn khoảng 100 lần so với các thiết bị định hình chùm tia tương tự thiếu các cộng hưởng tập thể này.

Khả năng tạo ra và điều khiển hiệu quả các màu sắc ánh sáng mới trên một con chip phẳng mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn.

“Nền tảng này mở ra con đường dẫn đến các nguồn sáng siêu nhỏ gọn và các phần tử điều hướng chùm tia cho các công nghệ như LiDAR, tạo ánh sáng lượng tử và xử lý tín hiệu quang học, tất cả được tích hợp trực tiếp trên một con chip”, tác giả chính Michele Cotrufo, cựu nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại CUNY và hiện là trợ lý giáo sư tại Đại học Rochester, cho biết. “Vì khái niệm này được thúc đẩy bởi hình học, chứ không phải bởi một vật liệu cụ thể nào, nên nó có thể được áp dụng cho nhiều vật liệu phi tuyến tính khác và trên nhiều màu sắc ánh sáng khác nhau, bao gồm cả tia cực tím”.

Các nhà nghiên cứu cho biết thêm rằng các phiên bản tương lai của công nghệ này có thể bao gồm việc xếp chồng hoặc kết hợp nhiều siêu bề mặt, mỗi siêu bề mặt được tối ưu hóa hơi khác nhau, để hoạt động hiệu quả trên phạm vi bước sóng rộng hơn.