Por Elizabeth A. Thomson, Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT, 23 de agosto de 2021
Primer plano de la nueva metasuperficie del MIT, o dispositivo óptico plano estandarizado con aproximadamente 100.000 estructuras a nanoescala, que está incrustado en un chip de silicio y puede activarse eléctricamente. Crédito: Foto cortesía de Yifei Zhang
Gran variedad de aplicaciones potenciales.
Los ingenieros y colegas del MIT informan nuevos avances importantes en una metasuperficie ajustable, o dispositivo óptico plano modelado con estructuras a nanoescala, que se comparan con una navaja suiza, mientras que su predecesora pasiva puede considerarse solo una herramienta, como un destornillador de hoja plana. La clave del trabajo es un material transparente descubierto por el equipo que cambia rápida y reversiblemente su estructura atómica en respuesta al calor.
“Las aplicaciones abiertas por la capacidad de reconfigurar rápidamente las metasuperficies son enormes”, dice Yifei Zhang, primer autor de un artículo que informa sobre los últimos avances en un número reciente de Nature Nanotechnology. Zhang es un estudiante de posgrado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (DMSE). «Estamos entusiasmados de que el trabajo actual supere varios obstáculos para implementar estas metasuperficies en aplicaciones del mundo real».
Dice el profesor asociado Arka Majumdar de la Universidad de Washington, Seattle, sobre estas aplicaciones: “Me imagino [that] esta tecnología podría revolucionar las redes neuronales ópticas, la detección de profundidad y la tecnología Lidar para automóviles autónomos. Majumdar no participó en la investigación.
Interruptor eléctrico
En el artículo de Nature Nanotechnology, los investigadores del MIT describen el uso de corrientes eléctricas para alterar reversiblemente la estructura del material – y por lo tanto las propiedades ópticas – de la nueva metasuperficie. En el pasado, utilizaban láseres voluminosos o un horno para proporcionar el calor necesario. «Esto es importante porque ahora podemos integrar todo el dispositivo óptico activo, junto con el interruptor eléctrico, en un chip de silicio para formar una plataforma óptica miniaturizada», dice Juejun Hu, líder del trabajo y profesor asociado de Ciencia e Ingeniería de Materiales en DMSE.
El estudiante graduado del MIT, Yifei Zhang, es dueño de la nueva metasuperficie, o dispositivo óptico plano estandarizado con aproximadamente 100,000 estructuras a nanoescala, que está incrustado en un chip de silicio y puede activarse eléctricamente. Crédito: Foto cortesía de Yifei Zhang
El equipo también informa que demuestra «una serie de funciones ópticas ajustables utilizando la plataforma», dijo Hu. Estos incluyen un dispositivo de dirección del haz en el que «al cambiar el material a diferentes [internal] estructuras, podemos enviar luz en una dirección contra otra, de un lado a otro. “La dirección del haz es la clave para los autos autónomos, aunque Hu enfatiza que el dispositivo que él y sus colegas demostraron todavía es bastante rudimentario. «Es otra prueba de principio».
Además de Zhang y Hu, los autores del nuevo artículo son Junhao Liang, Bilal Azhar, Mikhail Y. Shalaginov, Skylar Deckoff-Jones, Carlos Rios y Tian Gu, todos del MIT DMSE; Clayton Fowler, Sensong An y Hualiang Zhang de la Universidad de Massachusetts, Lowell; Jeffrey B. Chou, Christopher M. Roberts y Vladimir Liberman del Laboratorio Lincoln del MIT; Myungkoo Kang y Kathleen A. Richardson de la Universidad de Florida Central y Clara Rivero-Baleine de Lockheed Martin Corporation. Hu y Gu también están afiliados al Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT.
Un nuevo material
Los materiales de cambio de fase (PCM) cambian su estructura en respuesta al calor. Se utilizan comercialmente en CD y DVD regrabables. Hu explica: «Un rayo láser cambia la estructura del material localmente, de amorfo a cristalino, y este cambio se puede utilizar para codificar unos y ceros: información digital».
Sin embargo, los PCM convencionales tienen limitaciones cuando se trata de aplicaciones ópticas. Por un lado, son opacos. No dejan pasar la luz. «Esto nos motivó a investigar un nuevo material de cambio de fase para dispositivos ópticos que sea transparente», dijo Hu. A principios de este año, su equipo informó que agregar otro elemento, selenio, a un PCM convencional resolvió el problema.
El nuevo material, compuesto de germanio, selenio, antimonio y telurio (GSST), es la clave de la nueva metasuperficie. La metasuperficie, a su vez, no es solo una película delgada de GSST, es una película de GSST de solo medio milímetro cuadrado estandarizada con aproximadamente 100,000 estructuras a nanoescala. Y estos, a su vez, “te permiten controlar la propagación de la luz. Por lo tanto, puede transformar una colección de estas nanoestructuras en, por ejemplo, una lente ”, dice Hu.
Harish Bhaskaran es un profesor de la Universidad de Oxford que no participó en la investigación. Comentó sobre el trabajo en su conjunto y sobre los avances reportados en el nuevo diario:
“Esta es un área de trabajo muy importante, ya que estas metasuperficies ajustables, es decir, superficies que pueden modular la reflexión de la luz, aunque sean nominalmente ‘planas’ o muy delgadas, son extremadamente interesantes. Pueden reducir drásticamente el volumen de lentes, que obviamente se utilizan en todo lo que manipula la luz. [MIT’s] El uso de materiales de cambio de fase con bajas pérdidas (es decir, que absorben muy poca luz) proporciona una forma real de hacer esto realidad. Los autores también se encuentran entre los primeros en mostrar el ajuste dinámico mediante calentadores controlados eléctricamente. ”(En el mismo número de Nature Nanotechnology, un equipo de Stanford también informa que se controlan las metasuperficies con calentamiento eléctrico utilizando un enfoque diferente).
Según un artículo de News & Views en el mismo número de Nature Nanotechnology sobre los avances en el MIT y Stanford, «estos trabajos son un gran avance en las metasuperficies ajustables basadas en PCM». Sin embargo, los autores de News & Views enfatizan que ambos enfoques tienen inconvenientes.
El equipo de Hu está abordando algunos de estos inconvenientes. Por ejemplo, el calentador que se utiliza en su plataforma óptica miniaturizada está fabricado actualmente en metal. Pero «los metales son problemáticos para la óptica porque absorben la luz», dice Hu. «Estamos trabajando en un nuevo calentador de silicona transparente».
Hu describe el trabajo en su conjunto como especialmente emocionante porque comenzó con el descubrimiento de nuevo material que el equipo diseñó para una nueva aplicación. «Esto va desde la innovación de materiales hasta la integración de dispositivos, que creo que es muy singular».
Referencia: «Metasuperficie no volátil reconfigurable eléctricamente con material de cambio de fase óptico de baja pérdida» por Yifei Zhang, Clayton Fowler, Junhao Liang, Bilal Azhar, Mikhail Y. Shalaginov, Skylar Deckoff-Jones, Sensong An, Jeffrey B. Chou, Christopher M. Roberts, Vladimir Liberman, Myungkoo Kang, Carlos Rios, Kathleen A. Richardson, Clara Rivero-Baleine, Tian Gu, Hualiang Zhang y Juejun Hu, 19 de abril de 2021, Nature Nanotechnology.
DOI: 10.1038 / s41565-021-00881-9
El trabajo fue apoyado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EE. UU. Y la Fuerza Aérea de EE. UU. Los investigadores también reconocen el uso de las instalaciones proporcionadas por el Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT, los Laboratorios de Tecnología de Microsistemas del MIT y el Centro de Sistemas a Nanoescala de la Universidad de Harvard.
