O avanço tecnológico das lentes ópticas tem sido um marcador significativo da realização científica humana. Óculos, telescópios, câmeras e microscópios nos permitiram, literal e figurativamente, ver o mundo sob uma nova luz. As lentes também são um componente fundamental da fabricação de nanoeletrônicos pela indústria de semicondutores.
Um dos avanços mais impactantes da tecnologia de lentes na história recente foi o desenvolvimento de metasuperfícies fotônicas – materiais em nanoescala projetados artificialmente com propriedades ópticas notáveis. Pesquisadores da Georgia Tech na vanguarda dessa tecnologia demonstraram recentemente a primeira plataforma de metasuperfície fotônica eletricamente ajustável em um estudo recente publicado pela Nature Communications .

"Metasuperfícies podem tornar os sistemas ópticos muito finos e, à medida que se tornam mais fáceis de controlar e sintonizar, em breve você os encontrará em câmeras de telefones celulares e sistemas eletrônicos de imagem semelhantes", disse Ali Adibi, professor da Escola de Engenharia Elétrica e de Computação. no Instituto de Tecnologia da Geórgia.

As medidas de ajuste pronunciadas alcançadas através da nova plataforma representam um avanço crítico para o desenvolvimento de metasuperfícies reconfiguráveis ​​miniaturizadas. Os resultados do estudo mostraram uma mudança recorde de onze vezes nas propriedades refletivas, uma ampla faixa de ajuste espectral para operação e velocidade de ajuste muito mais rápida.

Aquecendo metasuperfícies

Metassuperfícies são uma classe de materiais nanofotônicos em que uma grande variedade de elementos miniaturizados são projetados para afetar a transmissão e reflexão da luz em diferentes frequências de maneira controlada.

"Ao ver sob microscópios muito fortes, as metasuperfícies parecem uma série periódica de postes", disse Adibi. "A melhor analogia seria pensar em um padrão LEGO formado pela conexão de muitos tijolos LEGO semelhantes um ao lado do outro."

Desde a sua criação, metasuperfícies têm sido usadas para demonstrar que dispositivos ópticos muito finos podem afetar a propagação da luz com metalenses (a formação de lentes finas) sendo a aplicação mais desenvolvida.

Apesar do progresso impressionante, a maioria das metasuperfícies demonstradas são passivas, o que significa que seu desempenho não pode ser alterado (ou ajustado) após a fabricação. O trabalho apresentado por Adibi e sua equipe, liderados pelo Ph.D. candidato Sajjad Abdollahramezani, aplica calor elétrico a uma classe especial de materiais nanofotônicos para criar uma plataforma que pode permitir que metasuperfícies reconfiguráveis ​​sejam facilmente fabricadas com altos níveis de modulação óptica.

Os PCMs fornecem a resposta

Uma ampla gama de materiais pode ser usada para formar metasuperfícies, incluindo metais, óxidos e semicondutores, mas a pesquisa de Abdollahramezani e Adibi se concentra em materiais de mudança de fase (PCMs) porque podem formar as estruturas mais eficazes com os menores tamanhos de recursos. PCMs são substâncias que absorvem e liberam calor durante o processo de aquecimento e resfriamento. Eles são chamados de materiais de "mudança de fase" porque passam de um estado de cristalização para outro durante o processo de ciclagem térmica. A mudança de água de um líquido para um sólido ou gás é o exemplo mais comum.

Os experimentos da equipe da Georgia Tech são substancialmente mais complicados do que aquecer e congelar água. Sabendo que as propriedades ópticas dos PCMs podem ser alteradas pelo aquecimento local, eles aproveitaram todo o potencial da liga PCM Ge₂ Sb₂ Te₅ (GST), que é um composto de germânio, antimônio e telúrio.

Ao combinar o design óptico com um microaquecedor elétrico miniaturizado embaixo, a equipe pode alterar a fase cristalina do GST para possibilitar o ajuste ativo do dispositivo de metasuperfície. As metasuperfícies fabricadas foram desenvolvidas no Instituto de Eletrônica e Nanotecnologia (IEN) da Georgia Tech e testadas em laboratórios de caracterização, iluminando as metasuperfícies reconfiguráveis ​​com luz laser em diferentes frequências e medindo as propriedades da luz refletida em tempo real.

O que metasuperfícies ajustáveis ​​significam para o futuro

Impulsionadas pela miniaturização de dispositivos e integração de sistemas, bem como sua capacidade de refletir seletivamente diferentes cores de luz, as metasuperfícies estão substituindo rapidamente os conjuntos ópticos volumosos do passado. Espera-se um impacto imediato em tecnologias como sistemas LiDAR para carros autônomos, geração de imagens, espectroscopia e sensoriamento.

Com mais desenvolvimento, aplicações mais agressivas como computação, realidade aumentada, chips fotônicos para inteligência artificial e detecção de risco biológico também podem ser previstas, de acordo com Abdollahramezani e Adibi.

"À medida que a plataforma continua a se desenvolver, metasuperfícies reconfiguráveis ​​serão encontradas em todos os lugares", disse Adibi. "Eles vão ainda capacitar endoscópios menores a penetrar profundamente no corpo para obter melhores imagens e ajudar os sensores médicos a detectar diferentes biomarcadores no sangue". + Explorar mais

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