Na década de 1950, o campo da eletrônica começou a mudar quando o transistor substituiu as válvulas de vácuo nos computadores. O troco, que envolvia a substituição de componentes grandes e lentos por componentes pequenos e rápidos, foi um catalisador para a tendência duradoura de miniaturização no design de computadores. Essa revolução ainda não atingiu o campo da óptica infravermelha, que permanece dependente de peças móveis volumosas que impedem a construção de pequenos sistemas.

Contudo, uma equipe de pesquisadores do MIT Lincoln Laboratory, junto com o professor Juejun Hu e alunos de pós-graduação do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT, está desenvolvendo uma maneira de controlar a luz infravermelha usando materiais de mudança de fase em vez de peças móveis. Esses materiais têm a capacidade de alterar suas propriedades ópticas quando a energia é adicionada a eles.

"Existem várias maneiras possíveis em que este material pode permitir novos dispositivos fotônicos que impactam a vida das pessoas, "diz Hu." Por exemplo, pode ser útil para interruptores ópticos com eficiência energética, que pode melhorar a velocidade da rede e reduzir o consumo de energia dos centros de dados da Internet. Ele pode habilitar dispositivos meta-ópticos reconfiguráveis, como compacto, lentes zoom infravermelhas planas sem partes móveis mecânicas. Também pode levar a novos sistemas de computação, o que pode tornar o aprendizado de máquina mais rápido e mais eficiente em termos de energia em comparação com as soluções atuais. "

Uma propriedade fundamental dos materiais com mudança de fase é que eles podem alterar a velocidade com que a luz viaja através deles (o índice de refração). "Já existem maneiras de modular a luz usando uma mudança no índice de refração, mas os materiais de mudança de fase podem mudar quase 1, 000 vezes melhor, "diz Jeffrey Chou, um membro da equipe anteriormente no Grupo de Materiais e Microsistemas Avançados do laboratório.

A equipe controlou com sucesso a luz infravermelha em vários sistemas usando uma nova classe de material de mudança de fase contendo os elementos germânio, antimônio, selênio, e telúrio, conhecido coletivamente como GSST. Este trabalho é discutido em um artigo publicado em Nature Communications .

A magia de um material de mudança de fase ocorre nas ligações químicas que unem seus átomos. Em um estado de fase, o material é cristalino, com seus átomos dispostos em um padrão organizado. Este estado pode ser alterado aplicando um curto, pico de alta temperatura de energia térmica para o material, fazendo com que as ligações no cristal quebrem e depois se reformem de uma forma mais aleatória, ou amorfo, padronizar. Para mudar o material de volta ao estado cristalino, um pulso de energia térmica de temperatura longa e média é aplicado.

"Essa mudança nas ligações químicas permite que diferentes propriedades ópticas surjam, semelhante às diferenças entre carvão (amorfo) e diamante (cristalino), "diz Christopher Roberts, outro membro do Lincoln Laboratory da equipe de pesquisa. "Embora ambos os materiais sejam principalmente de carbono, eles têm propriedades ópticas muito diferentes. "

Atualmente, materiais de mudança de fase são usados ​​para aplicações da indústria, como a tecnologia Blu-ray e DVDs regraváveis, porque suas propriedades são úteis para armazenar e apagar uma grande quantidade de informações. Mas por enquanto, ninguém os usou em óptica infravermelha porque tendem a ser transparentes em um estado e opacos no outro. (Pense no diamante, pela qual a luz pode passar, e carvão, que a luz não pode penetrar.) Se a luz não pode passar por um dos estados, então, essa luz não pode ser controlada adequadamente para uma variedade de usos; em vez de, um sistema só seria capaz de funcionar como um botão liga / desliga, permitindo que a luz atravesse o material ou não o atravesse.

Contudo, a equipe de pesquisa descobriu que, ao adicionar o elemento selênio ao material original (chamado GST), a absorção do material de luz infravermelha na fase cristalina diminuiu drasticamente - em essência, mudando-o de um material opaco semelhante ao carvão para um diamante mais transparente. O que mais, a grande diferença no índice de refração dos dois estados afeta a propagação da luz através deles.

"Esta mudança no índice de refração, sem introduzir perda óptica, permite o projeto de dispositivos que controlam a luz infravermelha sem a necessidade de peças mecânicas, "Roberts diz.

Como um exemplo, imagine um feixe de laser apontando em uma direção e precisa ser alterado para outra. Nos sistemas atuais, um grande cardã mecânico moveria fisicamente uma lente para direcionar o feixe para outra posição. Uma lente de filme fino feito de GSST seria capaz de mudar de posição ao reprogramar eletricamente os materiais de mudança de fase, permitindo a direção do feixe sem partes móveis.

A equipe já testou o material com sucesso em uma lente móvel. Eles também demonstraram seu uso em imagens hiperespectrais infravermelhas, que é usado para analisar imagens de objetos ocultos ou informações, e em um obturador ótico rápido que foi capaz de fechar em nanossegundos.

Os usos potenciais para GSST são vastos, e o objetivo final da equipe é projetar chips ópticos reconfiguráveis, lentes, e filtros, que atualmente deve ser reconstruído do zero cada vez que uma alteração é necessária. Assim que a equipe estiver pronta para mover o material além da fase de pesquisa, deve ser bastante fácil fazer a transição para o espaço comercial. Porque já é compatível com processos de fabricação microeletrônicos padrão, Os componentes GSST podem ser fabricados com baixo custo e em grande quantidade.

Recentemente, o laboratório obteve uma câmara de pulverização combinatória - uma máquina de última geração que permite aos pesquisadores criar materiais personalizados a partir de elementos individuais. A equipe usará esta câmara para otimizar ainda mais os materiais para maior confiabilidade e velocidades de comutação, bem como para aplicações de baixo consumo de energia. Eles também planejam fazer experiências com outros materiais que podem ser úteis no controle da luz visível.

As próximas etapas para a equipe são examinar de perto os aplicativos do mundo real do GSST e entender o que esses sistemas precisam em termos de energia, Tamanho, velocidade de comutação, e contraste óptico.

"O impacto [desta pesquisa] é duplo, "Hu diz." Materiais de mudança de fase oferecem uma mudança de índice de refração dramaticamente melhorada em comparação com outros efeitos físicos - induzidos por campo elétrico ou mudança de temperatura, por exemplo, permitindo assim dispositivos e circuitos ópticos reprogramáveis ​​extremamente compactos. Nossa demonstração de transparência ótica bistato nesses materiais também é significativa, pois agora podemos criar componentes infravermelhos de alto desempenho com perda ótica mínima. "O novo material, Hu continua, espera-se que abra um espaço de design totalmente novo no campo da óptica infravermelha.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.