Os emissores de luz nanofotônicos são dispositivos compactos e versáteis com amplas aplicações em física aplicada. Em um novo relatório agora publicado na Science Advances , Ki Young Lee e uma equipe de pesquisa em física e engenharia na China e no Reino Unido propuseram o desenvolvimento de uma estrutura emissora de feixe topológico com tamanho submicrométrico e alta eficiência, com capacidade de modelagem de feixe adaptável. .

O dispositivo proposto facilitou um emissor de ultraleve altamente desejável e eficiente para detectar uma variedade de aplicações, incluindo monitores, detecção de luz em estado sólido, interconexões ópticas e telecomunicações.

Os estados da interface topológica têm robustez notavelmente alta contra distúrbios ambientais com propriedades físicas únicas. Muitos pesquisadores em matemática e fotônica investigaram extensivamente os fenômenos topológicos fotônicos devido à sua promessa em telecomunicações, processamento de dados e aplicações de sensores.

Neste estudo, Lee e seus colegas exploraram novas propriedades ópticas de campo distante associadas à fotônica topológica não hermitiana . Eles mostraram como uma metasuperfície de junção topológica de duas grades de ressonância de modo guiado pode servir como emissores de luz de escala submicrométrica eficientes com alta eficiência quântica e capacidade de modelagem de feixe adaptável.

Durante os experimentos, a equipe usou uma junção contendo duas grades ressonantes de modo guiado distintas diretamente adjacentes uma à outra na ausência de uma abertura. Em tais estruturas, o estado vazado de Jackiw-Rebbi (JR) na junção; que corresponde a um modelo relativístico historicamente importante - emitiu um estreito feixe de luz. O processo foi impulsionado pelo acoplamento eletrodinâmico cavidade-quântica e efeitos de afunilamento eletromagnético. A equipe explorou uma teoria fundamental de emissão de feixe topológico e conduziu análises numéricas rigorosas durante o estudo.

Lee e outros. explorou o estado JR com vazamento localizado em uma metasuperfície de junção topológica fotônica, onde a estrutura manteve um filme de alto índice. Sob condições específicas, a difração de primeira ordem do estado JR levou à radiação de vazamento de feixe em direção ao fundo circundante , permitindo que as características da radiação de vazamento fossem coletadas durante o estudo.

Com base na emissão de feixe estreito associada ao estado JR com vazamento, a equipe investigou as propriedades de emissão de fontes de luz próximas à junção topológica. Eles usaram o método dos elementos finitos para calcular o padrão de radiação, que mostrou um feixe estreito emitido no campo distante óptico. Em seguida, a equipe divulgou a possibilidade de projetar uma estrutura apropriada, onde duas regiões de grade teriam massa de Dirac idêntica para atingir a simetria ideal do feixe emitido.

Durante esses experimentos, a emissão de feixe estreito de fontes de luz isotrópicas seguiu as propriedades exatas de difração do vazamento de radiação do estado JR. A equipe também considerou fontes externas para o efeito de feixe proposto, que eles conseguiram introduzindo modificações na configuração experimental, incluindo um contraste de índice reduzido e guias de ondas multicamadas acoplados verticalmente, entre outras modificações.

O conceito de modelagem de feixe é importante para muitas aplicações gerais de fontes de luz. O efeito de feixe topológico descrito fornece a possibilidade de regular a forma do feixe diretamente da fonte. Os cientistas descreveram a distribuição de massa de Dirac necessária para gerar o perfil de viga esperado.

Por exemplo, para gerar uma viga de topo plano, uma região de massa de Dirac zero pode ser estendida – na largura desejada e ao redor da junção do dispositivo. Os resultados da regulação de massa Dirac por ressonância de modo guiado podem, assim, facilitar de forma eficiente as aplicações de modelagem de feixe.

Desta forma, Ki Young Lee e seus colegas propuseram uma metasuperfície de junção topológica para emissão de feixe eficiente. Eles simularam as distribuições de campo características de um estado Jackiw-Rabbi com vazamento na junção para obter um feixe de luz eficiente de emissores internos, integrando o acoplamento eletrodinâmico quântico de cavidade com efeitos de afunilamento eletromagnético.

A arquitetura proposta é significativa para a criação de emissores de microluz eficientes para localização forte, alta eficiência quântica e capacidade adaptável de modelagem de feixe . Essas propriedades são significativas para inúmeras aplicações, incluindo o desenvolvimento de pixels de exibição, usinagem a laser e aplicações de telecomunicações. Os dispositivos propostos também são capazes de funcionar como detectores ópticos eficientes devido ao seu escopo de atuar como emissores invertidos no tempo , em princípio. Os cientistas propõem otimizações adicionais dos resultados do estudo para desenvolver novos efeitos ópticos e aplicações de dispositivos concomitantes para superar quaisquer limites técnicos existentes.