Una nueva forma de tomar imágenes en la parte del infrarrojo medio del espectro, desarrollado por investigadores del MIT y otros lugares, podría permitir una amplia variedad de aplicaciones, incluyendo imágenes térmicas, detección biomédica, y comunicación en el espacio libre.

La banda de radiación electromagnética del infrarrojo medio (IR medio) es una parte particularmente útil del espectro; puede proporcionar imágenes en la oscuridad, rastrear firmas de calor, y proporcionan detección sensible de muchas señales biomoleculares y químicas. Pero los sistemas ópticos para esta banda de frecuencias han sido difíciles de hacer, y los dispositivos que los utilizan son altamente especializados y costosos. Ahora, los investigadores dicen que han encontrado un enfoque altamente eficiente y fabricable en masa para controlar y detectar estas ondas.

Los hallazgos se informan en la revista. Comunicaciones de la naturaleza , en un artículo de los investigadores del MIT Tian Gu y Juejun Hu, El investigador de la Universidad de Massachusetts en Lowell, Hualiang Zhang, y otras 13 personas en el MIT, la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China, y la Universidad Normal del Este de China.

El nuevo enfoque utiliza un plano, material artificial compuesto por elementos ópticos nanoestructurados, en lugar del habitual grueso, Lentes de vidrio curvo utilizadas en óptica convencional. Estos elementos proporcionan respuestas electromagnéticas bajo demanda y se fabrican utilizando técnicas similares a las que se utilizan para los chips de computadora. "Este tipo de metasuperficie se puede hacer utilizando técnicas de microfabricación estándar, Gu dice:"La fabricación es escalable".

Agrega que "ha habido demostraciones notables de óptica de metasuperficie en luz visible e infrarrojo cercano, pero en el infrarrojo medio se mueve lentamente ". Cuando comenzaron esta investigación, él dice, la pregunta era, ya que podían hacer que estos dispositivos fueran extremadamente delgados, "¿Podríamos también hacerlos eficientes y de bajo costo?" Eso es lo que los miembros del equipo dicen que han logrado.

El nuevo dispositivo utiliza una serie de elementos ópticos de película delgada con forma precisa llamados "metaátomos" hechos de una aleación de calcogenuro. que tiene un alto índice de refracción que puede formar un alto rendimiento, estructuras ultrafinas llamadas metaátomos. Estos metaátomos, con formas que se asemejan a letras mayúsculas como I o H, se depositan y modelan sobre un sustrato de fluoruro transparente a los IR. Las formas diminutas tienen espesores que son una fracción de las longitudes de onda de la luz que se observa, y colectivamente pueden funcionar como una lente. Proporcionan una manipulación de frente de onda casi arbitraria que no es posible con materiales naturales a escalas más grandes, pero tienen una pequeña fracción del grosor, y, por lo tanto, solo se necesita una pequeña cantidad de material. "Es fundamentalmente diferente de la óptica convencional, " él dice.

El proceso "nos permite utilizar técnicas de fabricación muy simples, "Gu explica, evaporando térmicamente el material sobre el sustrato. Han demostrado la técnica en obleas de 6 pulgadas con alto rendimiento, un estándar en microfabricación, y "estamos considerando una fabricación a mayor escala".

Los dispositivos transmiten el 80 por ciento de la luz infrarroja media con eficiencias ópticas de hasta el 75 por ciento, lo que representa una mejora significativa con respecto a las metaópticas de IR medio existentes, Dice Gu. También se pueden hacer mucho más ligeras y delgadas que las ópticas IR convencionales. Usando el mismo método, Al variar el patrón de la matriz, los investigadores pueden producir arbitrariamente diferentes tipos de dispositivos ópticos, incluyendo un deflector de haz simple, una lente cilíndrica o esférica, y lentes asféricas complejas. Se ha demostrado que las lentes enfocan la luz de infrarrojos medios con la máxima nitidez teóricamente posible, conocido como límite de difracción.

Estas técnicas permiten la creación de dispositivos metaópticos, que puede manipular la luz de formas más complejas de lo que se puede lograr utilizando materiales transparentes a granel convencionales, Dice Gu. Los dispositivos también pueden controlar la polarización y otras propiedades.

La luz de infrarrojos medios es importante en muchos campos. Contiene las bandas espectrales características de la mayoría de los tipos de moléculas, y penetra eficazmente en la atmósfera, por lo que es clave para detectar una amplia gama de sustancias, como en el monitoreo ambiental, así como para aplicaciones militares e industriales, dicen los investigadores. Dado que la mayoría de los materiales ópticos ordinarios utilizados en las bandas visible o del infrarrojo cercano son totalmente opacos a estas longitudes de onda, Los sensores de infrarrojos medios han sido complejos y costosos de fabricar. Por lo tanto, el nuevo enfoque podría abrir posibles aplicaciones completamente nuevas, incluso en productos de detección o imágenes del consumidor, Dice Gu.