Uma nova tecnologia pioneira na Caltech está permitindo aos pesquisadores “evoluir” dispositivos ópticos e depois imprimi-los usando um tipo especializado de impressora 3D. Esses dispositivos são feitos dos chamados metamateriais ópticos, cujas propriedades derivam de estruturas tão pequenas que são medidas em nanômetros, e podem permitir que câmeras e sensores detectem e manipulem propriedades da luz de maneiras que antes não eram possíveis em pequenas escalas.



O trabalho foi conduzido no laboratório de Andrei Faraon, professor de Física Aplicada e Engenharia Elétrica William L. Valentine, e foi publicado na revista Nature Communications. .

Esta não é a primeira vez que Faraon desenvolve metamateriais ópticos, mas ele diz que é a primeira vez que estes materiais são empurrados para três dimensões.

“Geralmente, a maioria dessas coisas é feita em uma fina camada de material. Você pega um pedaço muito fino de silício ou algum outro material e o processa para obter o seu dispositivo”, diz ele. "No entanto, [o campo da] óptica vive num espaço tridimensional. O que estamos tentando investigar aqui é o que é possível se fizermos estruturas tridimensionais menores que o comprimento de onda da luz que estamos tentando controlar."

Como demonstração da nova técnica de design, o laboratório de Faraon criou pequenos dispositivos que podem classificar a luz que chega, neste caso infravermelha, tanto pelo comprimento de onda quanto pela polarização, uma propriedade que descreve a direção na qual as ondas de luz vibram.

Embora já existam dispositivos que podem separar a luz dessa maneira, os dispositivos feitos no laboratório de Faraon poderiam ser feitos para funcionar com luz visível e pequenos o suficiente para serem colocados diretamente sobre o sensor de uma câmera e direcionar a luz vermelha para um pixel, verde luz para outro e luz azul para um terceiro. O mesmo poderia ser feito para a luz polarizada, criando uma câmera capaz de detectar a orientação de superfícies, uma capacidade útil para a criação de espaços de realidade aumentada e virtual.

Uma olhada nesses dispositivos revela algo bastante inesperado. Enquanto a maioria dos dispositivos ópticos são lisos e altamente polidos como uma lente ou um prisma, os dispositivos desenvolvidos pelo laboratório de Faraon parecem orgânicos e caóticos, mais parecidos com o interior de um cupinzeiro do que com algo que você veria em um laboratório óptico. Isso ocorre porque os dispositivos são desenvolvidos por um algoritmo que ajusta continuamente seu design até que funcionem da maneira desejada, semelhante a como a criação pode criar um cão que é bom em pastorear ovelhas, diz Gregory Roberts, estudante de pós-graduação em física aplicada e autor principal. do papel.

“O software de design em sua essência é um processo iterativo”, diz Roberts. “Em cada etapa da otimização, ele pode escolher como modificar o dispositivo. Depois de fazer uma pequena alteração, ele descobre como fazer outra pequena alteração e, no final, acabamos com essa estrutura de aparência descolada. que tenha um alto desempenho na função alvo que definimos no início."

Faraon acrescenta:"Na verdade, não temos uma compreensão racional desses projetos, no sentido de que são projetos produzidos por meio de um algoritmo de otimização. Então, você obtém essas formas que executam uma determinada função. Por exemplo, se você quiser focar a luz em um ponto - basicamente o que uma lente faz - e você executar nossa simulação para essa função, provavelmente obterá algo que se parece muito com uma lente. No entanto, as funções que estamos visando - dividir comprimentos de onda em um determinado ponto. padrão - são bastante complicados. É por isso que as formas que aparecem não são muito intuitivas."

Para transformar esses designs de um modelo em um computador em dispositivos físicos, os pesquisadores usaram um tipo de impressão 3D conhecida como litografia de polimerização de dois fótons (TPP), que endurece seletivamente uma resina líquida com um laser. Não é diferente de algumas impressoras 3D usadas por amadores, exceto que endurece a resina com maior precisão, permitindo a construção de estruturas com características menores que um mícron.

Faraon afirma que o trabalho é uma prova de conceito, mas que com um pouco mais de pesquisa poderia ser feito com uma técnica prática de fabricação.

Mais informações: Gregory Roberts et al, metaóptica de infravermelho médio com padrão 3D e design inverso, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-38258-2
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido pelo Instituto de Tecnologia da Califórnia