Los ingenieros de Caltech han creado dispositivos planos capaces de manipular la luz de formas muy difíciles o imposibles de lograr con componentes ópticos convencionales.
Los nuevos dispositivos no están hechos de vidrio, sino de nanopilares de silicio dispuestos con precisión en un patrón de panal para crear una «metasuperficie» que puede controlar las trayectorias y las propiedades de las ondas de luz que la atraviesan.
Estos dispositivos de metasuperficie, descritos en un artículo publicado en línea el 31 de agosto de 2015 en la revista Nature Nanotechnology, podrían dar lugar a sistemas ópticos ultracompactos, como microscopios avanzados, pantallas, sensores y cámaras, que pueden producirse en masa mediante las mismas técnicas de fotolitografía que se emplean para fabricar microchips de ordenador.
«Actualmente, los sistemas ópticos se fabrican de un componente a la vez, y los componentes suelen ensamblarse manualmente», afirma Andrei Faraon (BS ’04), profesor asistente de física aplicada y ciencia de materiales, e investigador principal del estudio. «Pero esta nueva tecnología es muy similar a la que se utiliza para imprimir chips semiconductores sobre obleas de silicio, así que, en principio, se podrían fabricar millones de sistemas, como microscopios o cámaras, a la vez.»
Observadas con un microscopio electrónico de barrido, las nuevas metasuperficies que creó el equipo se asemejan a un bosque talado en el que solo quedan los tocones. Cada tocón de silicio, o pilar, tiene una sección transversal elíptica y, al variar cuidadosamente los diámetros de cada pilar y hacerlos girar alrededor de sus ejes, los científicos lograron manipular simultáneamente la fase y la polarización de la luz que los atraviesa. La luz es un campo electromagnético, y el campo de la luz monocromática, o de un solo color, oscila en todos los puntos del espacio con la misma frecuencia, pero con retardos relativos, o fases, variables.
Manipular este retardo relativo, o fase, influye en el grado en que un rayo de luz se curva, lo que a su vez influye en si una imagen está enfocada o desenfocada.
La polarización se refiere a la trayectoria de las oscilaciones del campo electromagnético en cada punto del espacio. Manipular la polarización de la luz es esencial para el funcionamiento de microscopios, cámaras y pantallas avanzados; el control de la polarización también permite dispositivos sencillos, como las gafas 3D y las gafas de sol polarizadas.
«Con nuestras metasuperficies tenemos un control completo de la polarización y la fase de la luz», afirma Amir Arbabi, autor principal del estudio e investigador sénior de Caltech. «Podemos tomar cualquier luz entrante y dar forma a sus perfiles de fase y polarización de manera arbitraria y con una eficiencia muy alta.»
Aunque el mismo objetivo puede alcanzarse con una disposición de múltiples componentes ópticos convencionales, como lentes de vidrio, prismas, moduladores espaciales de luz, polarizadores y láminas de onda, estos numerosos componentes dan lugar a sistemas mucho más voluminosos. «Si piensa en un microscopio moderno, tiene varios componentes que deben ensamblarse cuidadosamente en su interior», afirma Faraon. «Pero con nuestra plataforma, en realidad podemos fabricar cada uno de estos componentes ópticos y apilarlos unos sobre otros de forma muy sencilla mediante un proceso automatizado. Cada componente tiene apenas una millonésima de metro de grosor, o menos de una centésima del grosor de un cabello humano.»
Además de ser compactos, los dispositivos de metasuperficie podrían manipular la luz de formas novedosas que son muy difíciles y, en ocasiones, imposibles de lograr con los montajes actuales. Por ejemplo, el equipo de Caltech demostró que una de sus metasuperficies puede proyectar una imagen cuando se ilumina con un haz de luz polarizada horizontalmente, y otra imagen distinta cuando se ilumina con un haz polarizado verticalmente. «Las dos imágenes aparecerán superpuestas bajo una iluminación con luz polarizada a 45 grados», afirma Faraon.
En otro experimento, el equipo logró usar una metasuperficie para crear un haz con polarización radial, es decir, un haz cuya polarización apunta hacia el eje del haz. Estos haces tienen perfiles de intensidad con forma de rosquilla y se aplican en microscopía de superresolución, corte con láser y aceleración de partículas. «Normalmente, se necesita un gran montaje óptico, compuesto por múltiples componentes, para crear este efecto con instrumentos convencionales», afirma Arbabi. «Con nuestro montaje, podemos comprimir todos los componentes ópticos en un solo dispositivo y generar estos haces con mayor eficiencia y pureza.»
El equipo trabaja actualmente con socios industriales para crear metasuperficies destinadas a dispositivos comerciales, como cámaras y espectrómetros miniaturizados, pero ya se ha producido un número limitado de ellas para su uso en experimentos ópticos por científicos colaboradores de otras disciplinas.
Además, el laboratorio de Faraon investiga actualmente formas de combinar distintas metasuperficies para crear sistemas ópticos funcionales y corregir las distorsiones de color y otras aberraciones ópticas. «Como en cualquier sistema óptico, se producen distorsiones», dijo Faraon. «Por eso las cámaras caras tienen múltiples lentes en su interior. Ahora mismo estamos experimentando con apilar distintas metasuperficies para corregir estas aberraciones y lograr funcionalidades novedosas.»
El artículo se titula «Metasuperficies dieléctricas para el control completo de la fase y la polarización con resolución espacial inferior a la longitud de onda y alta transmisión.» Además de Faraon y Arbabi, otros coautores de Caltech son el estudiante de posgrado Yu Horie y Mahmood Bagheri, ingeniero de microdispositivos del JPL. El trabajo contó con el apoyo del Fondo del Presidente y del Director de Caltech/JPL y de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa. Yu Horie recibió el respaldo del Energy Frontier Research Center del Departamento de Energía y de una beca de la Japan Student Services Organization. La nanofabricación del dispositivo se llevó a cabo en el Kavli Nanoscience Institute de Caltech.
Este artículo se publica en colaboración con Caltech. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
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Autor: Ker Than escribe para Caltech.
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