Los ingenieros y colegas del MIT informan nuevos avances importantes en una metasuperficie ajustable, o dispositivo óptico plano con dibujos de estructuras a nanoescala, que se comparan con una navaja suiza, mientras que su predecesora pasiva puede considerarse como una sola herramienta, como un destornillador de punta plana. La clave del trabajo es un material transparente descubierto por el equipo que cambia rápida y reversiblemente su estructura atómica en respuesta al calor.

"Las aplicaciones abiertas por la capacidad de reconfigurar rápidamente las metasuperficies son enormes, "dice Yifei Zhang, primer autor de un artículo que informa sobre los últimos avances en un número reciente de Nanotecnología de la naturaleza . Zhang es un estudiante de posgrado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (DMSE). "Estamos entusiasmados porque el trabajo actual supera varios obstáculos para implementar estas metasuperficies en aplicaciones del mundo real".

Dice el profesor asociado Arka Majumdar de la Universidad de Washington, Seattle, de esas aplicaciones:"Imagino [que] esta tecnología podría revolucionar las redes neuronales ópticas, detección de profundidad, y tecnología Lidar para coches autónomos ". Majumdar no participó en la investigación.

Interruptor electrico

En el Nanotecnología de la naturaleza papel, Los investigadores del MIT describen el uso de corrientes eléctricas para cambiar reversiblemente la estructura del material, y por lo tanto las propiedades ópticas, de la nueva metasuperficie. En el pasado, utilizaban láseres voluminosos o un horno para suministrar el calor necesario. "Esto es importante porque ahora podemos integrar todo el dispositivo óptico activo, junto con el interruptor eléctrico, en un chip de silicio para formar una plataforma óptica miniaturizada, "dice Juejun Hu, Líder del trabajo y Profesor Asociado de Ciencia e Ingeniería de Materiales en DMSE.

El equipo también informa que demuestra "una serie de funciones ópticas sintonizables que utilizan la plataforma, "Hu dice. Estos incluyen un dispositivo de dirección de haz en el que" al cambiar el material a diferentes estructuras [internas], podemos enviar luz en una dirección frente a otra, hacia adelante y hacia atrás ". La dirección de la viga es clave para los automóviles autónomos, aunque Hu enfatiza que el dispositivo que él y sus colegas demostraron todavía es bastante rudimentario. "Es más una prueba de principio".

Además de Zhang y Hu, los autores del nuevo artículo son Junhao Liang, Bilal Azhar, Mikhail Y. Shalaginov, Skylar Deckoff-Jones, Carlos Ríos, y Tian Gu, todo el MIT DMSE; Clayton Fowler, Sensong An, y Hualiang Zhang de la Universidad de Massachusetts, Lowell; Jeffrey B. Chou, Christopher M. Roberts, y Vladimir Liberman del Laboratorio Lincoln del MIT; Myungkoo Kang y Kathleen A. Richardson de la Universidad de Florida Central, y Clara Rivero-Baleine de Lockheed Martin Corporation. Hu y Gu también están afiliados al Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT.

Un nuevo material

Los materiales de cambio de fase (PCM) cambian su estructura en respuesta al calor. Se utilizan comercialmente en CD y DVD regrabables. Explica Hu, "un rayo láser cambia la estructura del material localmente, de amorfo a cristalino, y ese cambio se puede utilizar para codificar unos y ceros:información digital ".

Sin embargo, Los PCM convencionales tienen limitaciones cuando se trata de aplicaciones ópticas. Para uno, son opacos. No dejarán pasar la luz. "Eso nos motivó a buscar un nuevo material de cambio de fase para dispositivos ópticos que sea transparente, ", Dice Hu. A principios de este año, su equipo informó que al agregar otro elemento, selenio, a un PCM convencional hizo el truco.

El nuevo material, compuesto de germanio, selenio, antimonio, y telurio (GSST), es clave para la nueva metasuperficie. La metasuperficie, Sucesivamente, no es solo una fina película de GSST, es una película de GSST de solo medio milímetro cuadrado con un patrón de 100, 000 estructuras a nanoescala. Y estos, Sucesivamente, "te permiten controlar la propagación de la luz. Así puedes transformar una colección de estas nanoestructuras en, por ejemplo, una lente, "Hu dice.

Harish Bhaskaran es un profesor de la Universidad de Oxford que no participó en la investigación. Comentó sobre el trabajo en su conjunto y sobre los avances reportados en el nuevo trabajo:

"Esta es un área de trabajo muy importante como las metasuperficies ajustables, es decir., superficies que pueden modular el reflejo de la luz aunque sean nominalmente 'planas' o muy delgadas, son extremadamente interesantes. Pueden reducir drásticamente el volumen de las lentes, que por supuesto se utilizan en todo lo que manipula la luz. [MIT] uso de materiales de cambio de fase que son de baja pérdida (es decir, absorben muy poca luz) proporciona un camino real para hacer esto realidad. Los autores también se encuentran entre los primeros en mostrar la sintonización dinámica utilizando calentadores que se controlan eléctricamente ". (En el mismo número de Nanotecnología de la naturaleza un equipo de Stanford también informa controlar las metasuperficies con calentamiento eléctrico utilizando un enfoque diferente).

Según un artículo de News &Views en el mismo número de Nanotecnología de la naturaleza sobre los avances del MIT y Stanford, "estos trabajos suponen un gran avance en las metasuperficies ajustables basadas en PCM". Sin embargo, los autores de News &Views enfatizan que ambos enfoques tienen inconvenientes.

El equipo de Hu está abordando algunos de esos inconvenientes. Por ejemplo, el calentador utilizado en su plataforma óptica miniaturizada es actualmente de metal. Pero "los metales son problemáticos para la óptica, porque absorben la luz, "Hu dice." Estamos trabajando en un nuevo calentador hecho de silicio que es transparente ".

Hu describe el trabajo en general como especialmente emocionante porque comenzó con el descubrimiento de un nuevo material que luego el equipo diseñó para una nueva aplicación. "Esto abarca desde la innovación de materiales hasta la integración de dispositivos, lo cual creo que es bastante único ".

El trabajo fue apoyado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EE. UU. Y la Fuerza Aérea de EE. UU. Los investigadores también reconocen el uso de las instalaciones proporcionadas por el Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT, los laboratorios de tecnología de microsistemas del MIT, y el Centro de Sistemas a Nanoescala de la Universidad de Harvard.