Sandia National Laboratories ha creado el primer software de diseño inverso para metamateriales ópticos, lo que significa que los usuarios comienzan por describir el resultado que desean, y el software completa los pasos para llegar allí. El enfoque de diseño moderno elimina las conjeturas de las tecnologías de ingeniería aún teóricas como ultracompacto, Cámaras de alto rendimiento y armaduras de camuflaje que podrían hacer que los usuarios sean invisibles a la detección.

Sandia usa la ayuda de diseño, llamado Mirage, en sus programas de investigación y desarrollo y lanzó una versión de prueba para seleccionar colaboradores el año pasado. Ahora, los investigadores que trabajan en proyectos gubernamentales de metamateriales pueden solicitar una licencia sin costo alguno.

Artificial, Los metamateriales ópticos se han promocionado durante más de una década por su capacidad para manipular la luz de formas extraordinarias. En teoria, Las imágenes de satélite y los telescopios interestelares podrían ser dramáticamente más pequeños con lentes metamateriales cien veces más delgadas que las convencionales. O, la tecnología podría llevar algún día a materiales de camuflaje que desvíen la luz a su alrededor, haciendo que los objetos sean imposibles de ver.

Mirage simplifica y automatiza el proceso de diseño de materiales que serían necesarios para esas tecnologías.

Mirage elimina las conjeturas del diseño

El campo de los metamateriales ópticos ha luchado hasta ahora para cumplir con toda su promesa percibida de revolucionar la óptica. Una dificultad para los ingenieros ha sido que los metamateriales están hechos de pequeños bloques de construcción, llamados meta-átomos, que se puede diseñar en innumerables variaciones. Una cierta forma colectivamente, podría doblar la luz. Cambia esa forma el tamaño, el espaciado o el material y eso podría amplificar el efecto o disminuirlo o hacer que suceda algo completamente diferente, como girar la luz en una dirección u otra o cambiar su intensidad o color.

"Predecir cuáles serán las propiedades 'homogeneizadas' a granel ha sido muy difícil de determinar hasta ahora, "dijo Mike Fiddy, un director de programa en la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, o DARPA, que financió el desarrollo del software.

Otro software puede simular lo que harán los metaátomos a la luz, pero eso solo permite a los investigadores usar la intuición para experimentar con diferentes diseños hasta que se topan o resuelven tediosamente el comportamiento que quieren.

A pesar del desafío, algunos investigadores han tenido éxito en la creación de dispositivos metamateriales imaginativos. Sandia inventó un dispositivo que convierte el calor en electricidad, potencialmente para motores más eficientes en combustible, y una tecnología de mezcla de luz que podría conducir a una nueva cambiable, fuente de luz multicolor, lo que podría acelerar todo tipo de investigación, desde la arqueología hasta la biomedicina.

Pero en general dijo el científico de Sandia Ihab El-Kady, la empresa de los metamateriales ha necesitado un impulso.

"No podemos resolver este problema mediante prueba y error, "dijo El-Kady, que concibió a Mirage. "En lugar de, podríamos hacer lo contrario. Podríamos decir:'Aquí está el comportamiento que quiero. Ahora dime cómo es el metamaterial '".

Ninguna herramienta utilizó este enfoque de diseño inverso. Entonces, El-Kady y su equipo en el Centro de Fotónica de Seguridad Nacional de Sandia construyeron uno.

Instrucciones fáciles de usar para explotar más de 100 plantillas

Mirage permite a los usuarios comenzar diciéndole la propiedad óptica que desean, cómo su metamaterial necesita interactuar con la luz, y sus materiales de partida. Mirage genera diseños que coinciden con esos criterios a partir de una biblioteca de más de 100 plantillas. O, los usuarios pueden dibujar sus propios diseños, y el programa los comprobará en busca de errores.

"Un enfoque más sistemático para diseñar metamateriales debería acelerar en gran medida su adopción en diversas áreas de aplicación, "eliminando los más utilizados, enfoques basados ​​en la intuición, Dijo Fiddy.

DARPA presentó Mirage como tecnología de primer nivel en el Simposio del 60 Aniversario de la agencia en Fort Washington, Maryland, mostrando sus usos de gran alcance.

"Mirage es una herramienta todo en uno, "El-Kady dijo." No solo te dice cómo se ve el metamaterial, le permite explorar varias configuraciones, simular el sistema, validar el comportamiento elegido, visualice su respuesta y optimice su funcionalidad dentro de sus limitaciones de fabricación ".

El software refina ideas poderosas

Además de eso, dijo el científico senior de Sandia, Igal Brener, que utiliza el software en su investigación de metamateriales, Mirage es útil porque incluye algoritmos que ayudan a los investigadores a obtener el mejor rendimiento de sus invenciones.

El equipo de Brener creó previamente un material que puede mezclar dos láseres para producir 11 colores a la vez, incluyendo luz infrarroja y ultravioleta. Potencialmente, esta tecnología podría desarrollarse en láseres sintonizables que reemplacen a los de un solo color.

Pero algunos de esos colores son demasiado tenues para ser útiles, por lo que está explorando formas de mejorar la producción. Otros paquetes de software que ha utilizado Brener incluyen algoritmos de optimización simples. Sin embargo, para utilizar algoritmos más avanzados, debe complementar esos paquetes con su propia codificación. No es así con Mirage.

"Las técnicas de optimización vienen en muchos sabores diferentes, ", dijo." Mirage es el único paquete de software que conozco que tiene las complejas técnicas de optimización que necesito incorporadas ".

Si el lanzamiento inicial es exitoso, Sandia planea desarrollar una segunda versión de Mirage, tentativamente llamado Mirage Elite, eso introduciría un avance en la optimización al transformar automáticamente los metaátomos en formas extrañas y extravagantes en la búsqueda de comportamientos no descubiertos.