Un collage de imágenes que muestran alas de mariposa con diferentes aumentos. Crédito:Wikimedia Commons
Las alas de una mariposa y las plumas de un pavo real utilizan una arquitectura a nanoescala para doblar la luz y producir colores brillantes sin pigmentos ni tintes. y los científicos han intentado emular el diseño de la naturaleza.
Ahora, científicos de la empresa de tecnología de realidad mixta Magic Leap Inc., trabajando con investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab), han desarrollado nuevos, formas versátiles de controlar y mejorar las propiedades de flexión de la luz de las nanoestructuras ópticas sintéticas. La tecnología de Magic Leap crea visualizaciones que permiten que las imágenes virtuales coexistan e interactúen con el entorno real del espectador en tiempo real.
El logro de los investigadores, reportado en Informes científicos , permite la manipulación de la luz en ángulos amplios, y en todo el espectro de luz visible, de una manera muy eficiente. En el centro de su trabajo hay un método para crear dos tipos de componentes ópticos ultrafinos.
"Ahora podemos crear superficies de silicio que pueden absorber luz de una gran cantidad de ángulos de entrada y longitudes de onda con una pérdida mínima de eficiencia de difracción, "dijo Stefano Cabrini, director de Nanofabrication Facility en Molecular Foundry de Berkeley Lab, que se especializa en herramientas y técnicas para I + D a nanoescala.
"La flexibilidad de entrada y el grado de control que estas nanoestructuras tienen sobre el haz de salida nunca se habían visto antes, "Dijo Cabrini.
Imágenes de microscopio electrónico de barrido de la metasuperficie en modo de transmisión desarrolladas en Molecular Foundry. La barra de escala para la imagen de la izquierda es de 2 micrones y es de 200 nanómetros para las imágenes de la derecha. Crédito:Berkeley Lab
Muchos dispositivos ópticos existentes también están diseñados para controlar y manipular la luz para detectar, imagen y comunicaciones, por ejemplo, pero sus componentes pueden ser voluminosos y costosos, como los que se utilizan en algunas máquinas de imágenes médicas y cámaras DSLR.
Reducir estos implementos a la nanoescala podría marcar el comienzo de una nueva generación de dispositivos asequibles con funcionalidad avanzada para telecomunicaciones, medicamento, y productos de consumo. La lista de aplicaciones potenciales incluye superficies "inteligentes" que pueden repeler el agua, procesamiento de datos ultrarrápido, hologramas, e incluso mantos de "invisibilidad" que pueden ocultar objetos manipulando la luz.
La nueva tecnología se basa en "metasuperficies ópticas, "que son estructuras bidimensionales diseñadas para interactuar con las ondas de luz de formas que los materiales naturales no pueden. Los materiales pueden tener capas de unas mil millonésimas de metro (nanómetros) de espesor, y contienen antenas ópticas a nanoescala que pueden controlar la reflexión o transmisión de la luz. Su naturaleza ultradelgada los hace fáciles de integrar en una variedad de sistemas.
Recubrimientos antirreflectantes, como los que se utilizan en las lentes de los anteojos para reducir el deslumbramiento, proporcionar un ejemplo simple de metasuperficies ópticas. Muchos de estos recubrimientos de lentes están hechos de estructuras transparentes ultrafinas (medidas en cientos de nanómetros) cuya disposición controla la reflexión de la luz que entra en la lente.
El equipo de investigación de Magic Leap creó las nuevas metasuperficies asociándose con expertos en nanofabricación en Molecular Foundry. Esculpieron un patrón de nanohaces de silicio utilizando un haz de electrones enfocado y luego transfirieron el diseño a una capa ultrafina de silicio. sólo alrededor de 20 a 120 nanómetros de espesor. Estos nanohaces se organizaron para controlar la transmisión o el reflejo de la luz.
Esquemas de las metasuperficies desarrollados en la Fundición Molecular. La imagen de la izquierda muestra pares repetidos de nanohaces de silicio, con un haz que mide 30 nanómetros y el otro en el par mide 55 nanómetros de ancho. La imagen de la derecha muestra otra capa espaciadora de material de PMMA (acrílico) de metasuperficie entre pares de nanohaces y una capa de metal. Crédito:Berkeley Lab
Estas metasuperficies son un ejemplo miniaturizado de rejillas de difracción, que tienen superficies ranuradas que pueden dividir y doblar la luz, y funcionan de manera similar a cómo un prisma divide un rayo de luz en un arco iris. Las ranuras pueden disponerse para concentrar la luz difractada en un orden particular para una longitud de onda determinada, creando patrones específicos.
Los diseños anteriores de metasuperficies que pueden controlar haces de luz ultracompactos han sido funcionales, pero limitado. Estas estructuras han tendido a doblar la luz solo en ángulos estrechos porque aumentar el ángulo hace que los dispositivos sean ineficaces.
Los diseños más antiguos también estaban limitados por el ángulo de entrada de la luz y la longitud de onda. La luz entrante tenía que ingresar a la superficie en un ángulo de 90 grados para evitar una caída en la eficiencia y se limitaba a las longitudes de onda en el espectro infrarrojo para evitar problemas con la absorción de la luz. ambos pueden hacer que los dispositivos sean poco fiables o defectuosos.
Los nanohaces que componen cada uno de los nuevos diseños se diseñaron cuidadosamente para dirigir la luz a medida que atraviesa o se refleja en la superficie. El tamaño de los nanohaces y el espacio entre ellos controla las propiedades de la luz que sale.
Al hacer las metasuperficies de silicio, los investigadores pudieron aprovechar la tecnología de fabricación que está ampliamente disponible para este material, lo que permite escalar más fácilmente su trabajo a la producción en masa.
