p Uma equipe liderada por cientistas da Universidade de Washington projetou e testou um metamaterial impresso em 3-D que pode manipular a luz com precisão em nanoescala. Como relatam em um artigo publicado em 4 de outubro na revista Avanços da Ciência , seu elemento óptico projetado concentra a luz em pontos discretos em um padrão helicoidal 3-D. p Os princípios de design da equipe e resultados experimentais demonstram que é possível modelar e construir dispositivos de metamateriais que podem manipular precisamente campos ópticos com alta resolução espacial em três dimensões. Embora a equipe tenha escolhido um padrão helicoidal - uma hélice espiral - para seu elemento óptico focar a luz, sua abordagem poderia ser usada para projetar elementos ópticos que controlam e focalizam a luz em outros padrões.

p Dispositivos com este nível de controle de precisão sobre a luz podem ser usados ​​não apenas para miniaturizar os elementos ópticos de hoje, como lentes ou retrorrefletores, mas também para perceber novas variedades. Além disso, projetar campos ópticos em três dimensões pode permitir a criação de sensores de profundidade ultracompactos para transporte autônomo, bem como elementos ópticos para visores e sensores em fones de ouvido de realidade virtual ou aumentada.

p "Este dispositivo relatado realmente não tem um analógico clássico em óptica refrativa - a óptica que encontramos em nossa vida cotidiana, "disse o autor correspondente Arka Majumdar, um professor assistente de UW de engenharia elétrica e da computação e física, e membro do corpo docente do UW Institute for Nano-Engineered Systems e do Institute for Molecular &Engineering Sciences. "Ninguém realmente fez um dispositivo como este antes com este conjunto de recursos."

p O time, que inclui pesquisadores do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea e do Instituto de Pesquisa da Universidade de Dayton, adotou uma abordagem menos utilizada no campo dos metamateriais ópticos para projetar o elemento óptico:design inverso. Usando design inverso, eles começaram com o tipo de perfil de campo óptico que queriam gerar - oito pontos focados de luz em um padrão helicoidal - e projetaram uma superfície de metamaterial que criaria esse padrão.

p "Nem sempre sabemos intuitivamente a estrutura apropriada de um elemento óptico para uma funcionalidade específica, "disse Majumdar." É aqui que o projeto inverso entra:você deixa o algoritmo projetar a ótica. "

p Embora essa abordagem pareça direta e evite as desvantagens dos métodos de design de tentativa e erro, o design inverso não é amplamente utilizado para metamateriais de grande área opticamente ativos porque requer um grande número de simulações, tornando o projeto inverso computacionalmente intensivo.

p Aqui, a equipe evitou essa armadilha graças a uma visão de Alan Zhan, autor principal do artigo, que recentemente se formou na UW com um doutorado em física. Zhan percebeu que a equipe poderia usar a teoria de espalhamento de Mie para projetar o elemento óptico. O espalhamento de Mie descreve como as ondas de luz de um determinado comprimento de onda são espalhadas por esferas ou cilindros que são semelhantes em tamanho ao comprimento de onda óptico. A teoria de espalhamento de Mie explica como nanopartículas metálicas em vitrais podem dar a certas janelas de igrejas suas cores fortes, e como outros artefatos de vitral mudam de cor em diferentes comprimentos de onda de luz, de acordo com Zhan.

p "Nossa implementação da teoria de espalhamento de Mie é específica para certas formas - esferas - o que significa que tivemos que incorporar essas formas no design do elemento óptico, "disse Zhan." Mas, confiar na teoria de espalhamento de Mie simplificou significativamente o processo de design e simulação porque poderíamos tornar muito específicos, cálculos muito precisos sobre as propriedades da luz quando ela interage com o elemento óptico. "

p Sua abordagem poderia ser empregada para incluir diferentes geometrias, como cilindros e elipsóides.

p O elemento óptico que a equipe projetou é essencialmente uma superfície coberta por milhares de pequenas esferas de tamanhos diferentes, dispostos em uma rede quadrada periódica. O uso de esferas simplificou o design, e a equipe usou uma impressora 3-D disponível comercialmente para fabricar dois protótipos de elementos ópticos - o maior dos dois com laterais de apenas 0,02 centímetros de comprimento - nas instalações de nanofabricação de Washington no campus da UW. Os elementos ópticos foram impressos em 3D de um epóxi ultravioleta em superfícies de vidro. Um elemento foi projetado para focar a luz em 1, 550 nanômetros, o outro em 3, 000 nanômetros.

p Os pesquisadores visualizaram os elementos ópticos sob um microscópio para ver como eles funcionaram conforme projetado - focalizando a luz de 1, 550 ou 3, 000 nanômetros em oito pontos específicos ao longo de um padrão helicoidal 3-D. Sob o microscópio, os pontos de luz mais focalizados estavam nas posições previstas pelas simulações teóricas da equipe. Por exemplo, para o 1, Dispositivo de comprimento de onda de 550 nanômetros, seis dos oito pontos focais estavam na posição prevista. Os dois restantes mostraram apenas pequenos desvios.

p Com o alto desempenho de seus protótipos, a equipe gostaria de melhorar o processo de design para reduzir os níveis de luz de fundo e melhorar a precisão da colocação dos pontos focais, e incorporar outros elementos de design compatíveis com a teoria de espalhamento de Mie.

p "Agora que mostramos que os princípios básicos de design funcionam, há muitas direções que podemos seguir com este nível de precisão na fabricação, "disse Majumdar.

p Uma direção particularmente promissora é progredir além de uma única superfície para criar um verdadeiro volume, Metamaterial 3-D.

p "A impressão 3D nos permite criar uma pilha dessas superfícies, o que não era possível antes, "disse Majumdar.