NOnlinear LIthium niobate Metasurfaces for Integrated THz generation

La banda terahertz (THz) dello spettro elettromagnetico (0,1 – 10 THz) sta attualmente suscitando enorme interesse grazie alla sua incredibile ricchezza di applicazioni. Tra le altre cose, la banda THz è una regione chiave in cui si possono trovare la maggior parte delle risonanze vibrazionali fondamentali della materia condensata e delle proteine. L'estrema rilevanza di questa finestra spettrale strategica nella fisica fondamentale e nella biologia ha dato un forte impulso allo sviluppo delle tecnologie basate sui THz negli ultimi decenni. Tuttavia, diverse sfide tecnologiche impediscono ancora la valutazione completa della finestra spettrale THz e lo sviluppo di dispositivi integrati. Di conseguenza, ad oggi non esiste alcuna sorgente laser intensa nella gamma 5-15 THz. Questo nuovo “intervallo THz” rappresenterà una sfida importante per lo sviluppo di sorgenti nei prossimi anni. Allo stesso tempo, le piattaforme THz integrabili sono estremamente interessanti in vista dei sistemi THz “portatili”, delle applicazioni alla fotonica integrata e dello sviluppo di nuovi sistemi ibridi.

NO LIMITHz propone una potenziale svolta in questo campo, sviluppando una nuova famiglia di sorgenti THz integrate a banda larga con efficienze di conversione senza pari e modellazione ad hoc del fronte d'onda mediante una piattaforma rivoluzionaria basata su un innovativo metamateriale ottico non lineare artificiale. NO LIMITHz si basa su risultati molto recenti che dimostrano che le metasuperfici dielettriche - metamateriali bidimensionali - consentono l'emissione di luce THz con efficienze paragonabili ai migliori materiali ottici non lineari in natura, ma in un thic sub-lunghezza d'onda. Inoltre, sfrutta le nostre dimostrazioni di metasuperfici funzionali non lineari in niobato di litio che consentono un forte potenziamento e un controllo dinamico delle interazioni ottiche non lineari.

Progetteremo, realizzeremo e caratterizzeremo nuove metasuperfici dielettriche attive basate sul niobato di litio che emettono in modo efficiente fasci THz su un'ampia larghezza di banda e con uno stato di polarizzazione ben definito. Il fronte d'onda del fascio generato può essere impostato arbitrariamente dalla geometria della metasuperficie, consentendo, ad esempio, di focalizzare direttamente l'uscita THz su una posizione specifica del campione. Il nuovo approccio di NO LIMITHz migliorerà l'efficienza di generazione THz dalle metasuperfici non lineari di oltre tre ordini di grandezza rispetto allo stato dell'arte basato su piattaforme plasmoniche. Ciò consentirà la realizzazione di sorgenti THz ultracompatte nella banda 5-15 THz con una potenza efficiente migliorata e funzionalità estese rispetto alle tecnologie esistenti.