Os engenheiros e colegas do MIT relatam novos avanços importantes em uma metassuperfície ajustável, ou dispositivo óptico plano padronizado com estruturas em nanoescala, que se comparam a um canivete suíço, enquanto seu predecessor passivo pode ser considerado apenas uma ferramenta, como uma chave de fenda de lâmina chata. A chave para o trabalho é um material transparente descoberto pela equipe que muda rápida e reversivelmente sua estrutura atômica em resposta ao calor.

"As aplicações abertas pela capacidade de reconfigurar rapidamente metassuperfícies são enormes, "diz Yifei Zhang, primeiro autor de um artigo relatando os últimos avanços em uma edição recente da Nature Nanotechnology . Zhang é um estudante de graduação no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais (DMSE). "Estamos entusiasmados porque o trabalho atual supera vários obstáculos para implementar essas metasuperfícies em aplicações do mundo real."

Diz o Professor Associado Arka Majumdar da Universidade de Washington, Seattle, dessas aplicações:"Imagino [que] esta tecnologia pode revolucionar as redes neurais ópticas, detecção de profundidade, e tecnologia Lidar para carros autônomos. ”Majumdar não estava envolvido na pesquisa.

Interruptor elétrico

No Nature Nanotechnology papel, os pesquisadores do MIT descrevem o uso de correntes elétricas para alterar reversivelmente a estrutura do material - e, portanto, as propriedades ópticas - da nova metassuperfície. No passado, eles usavam lasers volumosos ou uma fornalha para fornecer o calor necessário. "Isso é importante porque agora podemos integrar todo o dispositivo óptico ativo, junto com o interruptor elétrico, em um chip de silício para formar uma plataforma óptica miniaturizada, "diz Juejun Hu, líder do trabalho e Professor Associado de Ciência e Engenharia de Materiais no DMSE.

A equipe também relata a demonstração de "uma série de funções ópticas ajustáveis ​​usando a plataforma, "Hu diz. Estes incluem um dispositivo de direção do feixe onde" ao trocar o material para diferentes estruturas [internas], podemos enviar luz em uma direção contra outra, para a frente e para trás. "A direção do feixe é a chave para carros autônomos, embora Hu enfatize que o dispositivo que ele e seus colegas demonstraram ainda é bastante rudimentar. "É mais uma prova de princípio."

Além de Zhang e Hu, autores do novo artigo são Junhao Liang, Bilal Azhar, Mikhail Y. Shalaginov, Skylar Deckoff-Jones, Carlos Rios, e Tian Gu, todos MIT DMSE; Clayton Fowler, Sensong An, e Hualiang Zhang da Universidade de Massachusetts, Lowell; Jeffrey B. Chou, Christopher M. Roberts, e Vladimir Liberman do MIT Lincoln Laboratory; Myungkoo Kang e Kathleen A. Richardson, da University of Central Florida, e Clara Rivero-Baleine da Lockheed Martin Corporation. Hu e Gu também são afiliados ao Laboratório de Pesquisa de Materiais do MIT.

Um novo material

Materiais de mudança de fase (PCMs) mudam sua estrutura em resposta ao calor. Eles são usados ​​comercialmente em CDs e DVDs regraváveis. Explica Hu, "um feixe de laser muda a estrutura do material localmente, de amorfo a cristalino, e essa mudança pode ser usada para codificar uns e zeros - informação digital. "

Contudo, PCMs convencionais têm limitações quando se trata de aplicativos ópticos. Para um, eles são opacos. Eles não deixam a luz passar. "Isso nos motivou a olhar para um novo material de mudança de fase para dispositivos ópticos que seja transparente, "Hu diz. No início deste ano, sua equipe relatou que adicionar outro elemento, selênio, a um PCM convencional funcionou.

O novo material, composto de germânio, selênio, antimônio, e telúrio (GSST), é a chave para a nova meta-superfície. A metassuperfície, por sua vez, não é apenas uma película fina de GSST, é um filme de GSST com apenas meio milímetro quadrado padronizado com cerca de 100, 000 estruturas em nanoescala. E esses, por sua vez, "permitem que você controle a propagação da luz. Assim, você pode transformar uma coleção dessas nanoestruturas em, por exemplo, uma lente, "Hu diz.

Harish Bhaskaran é um professor da Universidade de Oxford que não esteve envolvido na pesquisa. Ele comentou sobre o trabalho como um todo e sobre os avanços relatados no novo jornal:

"Esta é uma área de trabalho muito importante como metassuperfícies sintonizáveis, ou seja, superfícies que podem modular a reflexão da luz, embora sejam nominalmente "planas" ou muito finas, são extremamente interessantes. Eles podem reduzir drasticamente o volume das lentes, que obviamente são usados ​​em tudo que manipula a luz. [MIT's] uso de materiais de mudança de fase que são de baixa perda (ou seja, eles absorvem muito pouca luz) fornece um caminho real para tornar isso uma realidade. Os autores também estão entre os primeiros a mostrar o ajuste dinâmico usando aquecedores que são controlados eletricamente. "(Na mesma edição de Nature Nanotechnology uma equipe de Stanford também relata o controle de metassuperfícies com aquecimento elétrico usando uma abordagem diferente.)

De acordo com um artigo News &Views na mesma edição da Nature Nanotechnology sobre os avanços do MIT e Stanford, "esses trabalhos são um avanço nas metasuperfícies sintonizáveis ​​baseadas em PCM." Contudo, os autores do News &Views enfatizam que ambas as abordagens têm desvantagens.

A equipe de Hu está abordando algumas dessas desvantagens. Por exemplo, o aquecedor usado em sua plataforma ótica miniaturizada é atualmente feito de metal. Mas "os metais são problemáticos para a óptica, porque eles absorvem luz, "Hu diz." Estamos trabalhando em um novo aquecedor feito de silício que é transparente. "

Hu descreve o trabalho como um todo como especialmente empolgante porque começou com a descoberta de um novo material que a equipe projetou para uma nova aplicação. "Isso vai desde a inovação de materiais até a integração de dispositivos, o que eu acho bastante único. "

O trabalho foi apoiado pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa dos Estados Unidos e pela Força Aérea dos Estados Unidos. Os pesquisadores também reconhecem o uso das instalações fornecidas pelo Laboratório de Pesquisa de Materiais do MIT, os Laboratórios de Tecnologia de Microsistemas do MIT, e o Harvard University Center for Nanoscale Systems.