Sandia National Laboratories criou o primeiro software de design inverso para metamateriais ópticos, o que significa que os usuários começam descrevendo o resultado que desejam, e o software preenche as etapas para chegar lá. A abordagem de design moderno elimina suposições de tecnologias de engenharia ainda teóricas, como ultracompactas, câmeras de alto desempenho e armadura de camuflagem que podem tornar os usuários invisíveis para detecção.

Sandia usa o auxílio de design, chamado Mirage, em seus programas de pesquisa e desenvolvimento e lançou uma versão de teste para selecionar colaboradores no ano passado. Agora, pesquisadores que trabalham em projetos de metamateriais do governo podem solicitar uma licença sem nenhum custo.

Feito pelo homem, metamateriais ópticos têm sido elogiados por mais de uma década por sua capacidade de manipular a luz de maneiras extraordinárias. Em teoria, imagens de satélite e telescópios interestelares poderiam ser dramaticamente menores com lentes de metamateriais cem vezes mais finas do que as convencionais. Ou, a tecnologia pode algum dia levar a materiais de camuflagem que desviam a luz ao seu redor, tornando os objetos impossíveis de ver.

Mirage simplifica e automatiza o processo de design para materiais que seriam necessários para essas tecnologias.

O Mirage elimina as suposições do design

O campo dos metamateriais ópticos até agora tem lutado para cumprir todas as suas promessas de revolucionar a óptica. Uma dificuldade para os engenheiros é que os metamateriais são feitos de pequenos blocos de construção, chamados de meta-átomos, que pode ser projetado em inúmeras variações. Uma certa forma, coletivamente, pode dobrar a luz. Mude essa forma, o tamanho, o espaçamento ou o material e que pode amplificar o efeito ou diminuí-lo ou fazer com que algo totalmente diferente aconteça, como girar a luz em uma direção ou outra ou mudar sua intensidade ou cor.

"Prever quais serão as propriedades 'homogeneizadas' em massa tem sido muito difícil de determinar até agora, "disse Mike Fiddy, um gerente de programa na Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa, ou DARPA, que financiou o desenvolvimento do software.

Outro software pode simular o que os meta-átomos farão com a luz, mas isso só permite que os pesquisadores usem a intuição para experimentar designs diferentes até que tropecem ou elaborem tediosamente o comportamento que desejam.

Apesar do desafio, alguns pesquisadores tiveram sucesso na criação de dispositivos metamateriais imaginativos. Sandia inventou um dispositivo que converte calor em eletricidade, potencialmente para motores mais econômicos, e uma tecnologia de mistura de luz que poderia levar a um novo mutável, fonte de luz multicolorida, o que poderia acelerar todos os tipos de pesquisa, da arqueologia à biomedicina.

Mas no geral, disse o cientista Sandia Ihab El-Kady, o empreendimento metamaterial precisava de um impulso.

"Não podemos resolver este problema por tentativa e erro, "disse El-Kady, que concebeu Mirage. "Em vez de, poderíamos fazer o oposto. Poderíamos dizer:'Aqui está o comportamento que desejo. Agora me diga como é o metamaterial. '"

Nenhuma ferramenta usou essa abordagem de design inverso. Então, El-Kady e sua equipe do National Security Photonics Center de Sandia construíram um.

Instruções fáceis de usar para explorar mais de 100 modelos

O Mirage permite que os usuários comecem dizendo a propriedade ótica que desejam - como seu metamaterial precisa interagir com a luz - e seus materiais iniciais. O Mirage gera designs que correspondem a esses critérios a partir de uma biblioteca de mais de 100 modelos. Ou, os usuários podem desenhar seus próprios designs, e o programa verificará se há erros.

"Uma abordagem mais sistemática para projetar metamateriais deve acelerar muito sua adoção em várias áreas de aplicação, "eliminando o mais comumente usado, abordagens baseadas na intuição, Fiddy disse.

A DARPA apresentou Mirage como uma tecnologia de ponta no Simpósio de 60 anos da agência em Fort Washington, Maryland, mostrando seus usos de longo alcance.

"Mirage é uma ferramenta completa, "El-Kady disse." Não só diz a você como o metamaterial se parece, permite que você explore várias configurações, simular o sistema, validar o comportamento escolhido, visualize sua resposta e otimize sua funcionalidade dentro das restrições de fabricação. "

O software refina ideias poderosas

Além disso, disse Sandia cientista sênior Igal Brener, que usa o software em sua pesquisa de metamateriais, Mirage é útil porque inclui algoritmos que ajudam os pesquisadores a obter o melhor desempenho de suas invenções.

A equipe de Brener criou anteriormente um material que pode misturar dois lasers para produzir 11 cores de uma vez, incluindo luz infravermelha e ultravioleta. Potencialmente, essa tecnologia poderia ser desenvolvida em lasers ajustáveis ​​que substituem os de uma única cor.

Mas algumas dessas cores são muito escuras para serem úteis, então ele está explorando maneiras de iluminar o resultado. Outros pacotes de software que Brener usou incluem algoritmos de otimização simples. Contudo, para usar algoritmos mais avançados, ele deve complementar esses pacotes com sua própria codificação. Não é assim com Mirage.

"As técnicas de otimização vêm em muitos sabores diferentes, "ele disse." Mirage é o único pacote de software que conheço que possui as complexas técnicas de otimização de que preciso incorporar. "

Se o lançamento inicial for bem-sucedido, Sandia planeja desenvolver uma segunda versão do Mirage, provisoriamente chamado Mirage Elite, isso introduziria um avanço na otimização, transformando automaticamente os meta-átomos em formas bizarras e estranhas na busca por comportamentos não descobertos.