Uma nova maneira de tirar imagens na parte do infravermelho médio do espectro, desenvolvido por pesquisadores do MIT e em outros lugares, pode permitir uma ampla variedade de aplicativos, incluindo imagens térmicas, sensoriamento biomédico, e comunicação em espaço livre.

A banda do infravermelho médio (infravermelho médio) da radiação eletromagnética é uma parte particularmente útil do espectro; pode fornecer imagens no escuro, traçar assinaturas de calor, e fornecem detecção sensível de muitos sinais biomoleculares e químicos. Mas os sistemas ópticos para esta banda de frequências têm sido difíceis de fazer, e os dispositivos que os utilizam são altamente especializados e caros. Agora, os pesquisadores dizem que encontraram uma abordagem altamente eficiente e manufaturável em massa para controlar e detectar essas ondas.

Os resultados são relatados no jornal Nature Communications , em um artigo dos pesquisadores do MIT Tian Gu e Juejun Hu, Hualiang Zhang, pesquisador da Universidade de Massachusetts em Lowell, e 13 outros no MIT, a Universidade de Ciência Eletrônica e Tecnologia da China, e a East China Normal University.

A nova abordagem usa um plano material artificial composto de elementos ópticos nanoestruturados, em vez do habitual grosso, lentes de vidro curvo usadas em ótica convencional. Esses elementos fornecem respostas eletromagnéticas sob demanda e são feitos usando técnicas semelhantes às usadas para chips de computador. "Este tipo de metassuperfície pode ser feito usando técnicas de microfabricação padrão, "Gu diz." A manufatura é escalável. "

Ele acrescenta que "tem havido demonstrações notáveis ​​de óptica metassuperfície em luz visível e infravermelho próximo, mas no infravermelho médio está se movendo lentamente. "Quando eles começaram esta pesquisa, ele diz, a questão era, já que eles podem tornar esses dispositivos extremamente finos, "Podemos também torná-los eficientes e de baixo custo?" Isso é o que os membros da equipe dizem que já alcançaram.

O novo dispositivo usa uma matriz de elementos ópticos de filme fino de formato preciso chamados "meta-átomos" feitos de liga de calcogeneto, que tem um alto índice de refração que pode formar alto desempenho, estruturas ultrafinas chamadas metaátomos. Esses meta-átomos, com formas semelhantes a letras maiúsculas, como I ou H, são depositados e padronizados em um substrato de flúor transparente ao infravermelho. As formas minúsculas têm espessuras que são uma fração dos comprimentos de onda da luz que está sendo observada, e coletivamente podem funcionar como uma lente. Eles fornecem manipulação de frente de onda quase arbitrária que não é possível com materiais naturais em escalas maiores, mas eles têm uma pequena fração da espessura, e, portanto, apenas uma pequena quantidade de material é necessária. "É fundamentalmente diferente da óptica convencional, " ele diz.

O processo "nos permite usar técnicas de fabricação muito simples, "Gu explica, por evaporação térmica do material sobre o substrato. Eles demonstraram a técnica em wafers de 6 polegadas com alto rendimento, um padrão em microfabricação, e "estamos olhando para uma fabricação em escala ainda maior".

Os dispositivos transmitem 80 por cento da luz infravermelha média com eficiências ópticas de até 75 por cento, representando uma melhoria significativa em relação à metaótica de infravermelho médio existente, Gu diz. Eles também podem ser muito mais leves e finos do que a óptica IV convencional. Usando o mesmo método, variando o padrão da matriz, os pesquisadores podem produzir arbitrariamente diferentes tipos de dispositivos ópticos, incluindo um defletor de feixe simples, uma lente cilíndrica ou esférica, e lentes asféricas complexas. As lentes foram demonstradas para focalizar luz infravermelha média com a máxima nitidez teoricamente possível, conhecido como limite de difração.

Essas técnicas permitem a criação de dispositivos metaópticos, que pode manipular a luz de maneiras mais complexas do que o que pode ser alcançado usando materiais transparentes a granel convencionais, Gu diz. Os dispositivos também podem controlar a polarização e outras propriedades.

A luz infravermelha média é importante em muitos campos. Ele contém as bandas espectrais características da maioria dos tipos de moléculas, e penetra na atmosfera de forma eficaz, por isso, é fundamental para detectar uma ampla gama de substâncias, como no monitoramento ambiental, bem como para aplicações militares e industriais, dizem os pesquisadores. Uma vez que a maioria dos materiais ópticos comuns usados ​​nas bandas visível ou infravermelho próximo são totalmente opacos para esses comprimentos de onda, sensores mid-IR são complexos e caros de fabricar. Portanto, a nova abordagem pode abrir aplicações potenciais totalmente novas, inclusive em produtos de detecção ou imagem do consumidor, Gu diz.