El avance tecnológico de las lentes ópticas ha sido durante mucho tiempo un marcador significativo del logro científico humano. Anteojos, telescopios, cámaras y microscopios nos han permitido, literal y figurativamente, ver el mundo bajo una nueva luz. Las lentes también son un componente fundamental de la fabricación de nanoelectrónica por parte de la industria de los semiconductores.

Uno de los avances más impactantes de la tecnología de lentes en la historia reciente ha sido el desarrollo de metasuperficies fotónicas:materiales a nanoescala diseñados artificialmente con propiedades ópticas notables. Los investigadores de Georgia Tech a la vanguardia de esta tecnología han demostrado recientemente la primera plataforma de metasuperficie fotónica sintonizable eléctricamente en un estudio reciente publicado por Nature Communications .

"Las metasuperficies pueden hacer que los sistemas ópticos sean muy delgados y, a medida que se vuelven más fáciles de controlar y ajustar, pronto los encontrará en las cámaras de los teléfonos celulares y en sistemas electrónicos de imágenes similares", dijo Ali Adibi, profesor de la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática. en el Instituto de Tecnología de Georgia.

Las pronunciadas medidas de ajuste logradas a través de la nueva plataforma representan un avance crítico hacia el desarrollo de metasuperficies miniaturizadas reconfigurables. Los resultados del estudio han mostrado un cambio récord de once veces en las propiedades reflectantes, una amplia gama de sintonización espectral para el funcionamiento y una velocidad de sintonización mucho más rápida.

Calentando metasuperficies

Las metasuperficies son una clase de materiales nanofotónicos en los que se diseña una amplia gama de elementos miniaturizados para afectar la transmisión y el reflejo de la luz a diferentes frecuencias de forma controlada.

"Cuando se observa bajo microscopios muy fuertes, las metasuperficies se ven como una serie periódica de publicaciones", dijo Adibi. "La mejor analogía sería pensar en un patrón LEGO formado al conectar muchos ladrillos LEGO similares uno al lado del otro".

Desde sus inicios, las metasuperficies se han utilizado para demostrar que los dispositivos ópticos muy delgados pueden afectar la propagación de la luz, siendo las metalenses (la formación de lentes delgadas) la aplicación más desarrollada.

A pesar del impresionante progreso, la mayoría de las metasuperficies demostradas son pasivas, lo que significa que su rendimiento no se puede cambiar (o ajustar) después de la fabricación. El trabajo presentado por Adibi y su equipo, dirigido por Ph.D. el candidato Sajjad Abdollahramezani, aplica calor eléctrico a una clase especial de materiales nanofotónicos para crear una plataforma que puede permitir que las metasuperficies reconfigurables se fabriquen fácilmente con altos niveles de modulación óptica.

Los PCM proporcionan la respuesta

Se puede usar una amplia gama de materiales para formar metasuperficies, incluidos metales, óxidos y semiconductores, pero la investigación de Abdollahramezani y Adibi se centra en los materiales de cambio de fase (PCM) porque pueden formar las estructuras más efectivas con los tamaños de características más pequeños. Los PCM son sustancias que absorben y liberan calor durante el proceso de calentamiento y enfriamiento. Se denominan materiales de "cambio de fase" porque pasan de un estado de cristalización a otro durante el proceso de ciclo térmico. El cambio de agua de líquido a sólido o gas es el ejemplo más común.

Los experimentos del equipo de Georgia Tech son sustancialmente más complicados que calentar y congelar agua. Sabiendo que las propiedades ópticas de los PCM pueden alterarse mediante el calentamiento local, han aprovechado todo el potencial de la aleación de PCM Ge₂ Sb₂ Te₅ (GST), que es un compuesto de germanio, antimonio y telurio.

Al combinar el diseño óptico con un microcalentador eléctrico miniaturizado debajo, el equipo puede cambiar la fase cristalina del GST para hacer posible el ajuste activo del dispositivo de metasuperficie. Las metasuperficies fabricadas se desarrollaron en el Instituto de Electrónica y Nanotecnología (IEN) de Georgia Tech y se probaron en laboratorios de caracterización iluminando las metasuperficies reconfigurables con luz láser a diferentes frecuencias y midiendo las propiedades de la luz reflejada en tiempo real.

Qué significan las metasuperficies ajustables para el futuro

Impulsadas por la miniaturización de dispositivos y la integración de sistemas, así como por su capacidad de reflejar selectivamente diferentes colores de luz, las metasuperficies están reemplazando rápidamente a los voluminosos ensamblajes ópticos del pasado. Se espera un impacto inmediato en tecnologías como los sistemas LiDAR para automóviles autónomos, imágenes, espectroscopia y detección.

Con un mayor desarrollo, también se pueden imaginar aplicaciones más agresivas como la informática, la realidad aumentada, los chips fotónicos para inteligencia artificial y la detección de riesgos biológicos, según Abdollahramezani y Adibi.

"A medida que la plataforma continúe desarrollándose, se encontrarán metasuperficies reconfigurables en todas partes", dijo Adibi. "Incluso habilitarán endoscopios más pequeños para profundizar en el cuerpo para obtener mejores imágenes y ayudar a los sensores médicos a detectar diferentes biomarcadores en la sangre". + Explora más

Metasuperficies dinámicas y metadispositivos potenciados por el grafeno