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Functional 2D metamaterials at visible wavelengths

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Espejos «transmogrificadores» creados con patrones a nanoescala

Unas matrices de bloques rectangulares diminutos pueden convertir materiales comunes en metasuperficies, lo que permite a los científicos controlar con precisión cómo interactúa la luz con el objeto.

Investigación fundamental

En los últimos treinta años, la fotónica ha sido testigo de importantes desarrollos tecnológicos y se ha convertido en esencial para aplicaciones de navegación, teledetección y comunicaciones. Sin embargo, manipular la luz suele requerir el uso de lentes ópticas, las cuales pueden ser voluminosas, pesadas y frágiles. El proyecto FLATLIGHT, financiado con fondos europeos, respalda una mayor miniaturización de la óptica y la optoelectrónica mediante un sistema alternativo para guiar y moldear la luz. «Lo que hacemos es concebir dispositivos ópticos que replican prismas y lentes ópticas de gran volumen con interfaces nanoestructuradas», explica Patrice Genevet, coordinador del proyecto.

Control de la luz

Su equipo en el Centro de Investigación sobre la Heteroepitaxia y sus Aplicaciones (CRHEA) de la Universidad Côte d’Azur construyó interfaces de apenas una micra de grosor, las cuales contienen matrices de bloques rectangulares a nanoescala cuyo tamaño, forma y espaciado se controla con exactitud. «Estos componentes moldean la luz a base de cambiar las propiedades del campo electromagnético, es decir, la amplitud, la fase, la polarización y la frecuencia, a través de un material con un grosor inferior a una centésima parte del diámetro de un cabello humano», afirma Genevet. «El objetivo de FLATLIGHT es fabricar metasuperficies que operen en el rango de longitud de onda del espectro visible con materiales semiconductores nanoestructurados que controlen la emisión, la transmisión y la reflexión de la luz en la interfaz». Por ejemplo, algunas nanoestructuras pueden desviar la luz en una dirección arbitraria cuando atraviesa la interfaz. Si se varía el patrón a lo largo de la superficie con precisión, la luz que pasa por los bordes puede inclinarse más que la del centro para enfocar el haz. «Son las metasuperficies, es decir, superficies con funcionalidades que van más allá de las interfaces clásicas», añade Genevet. «Las capacidades de las metasuperficies para dirigir la luz son singulares; no es posible encontrar efectos similares en otros dispositivos ópticos». Una de las aplicaciones se halla en los láseres de emisión superficial con cavidad vertical (VCSEL, por sus siglas en inglés), componentes electrónicos de pequeño tamaño que se utilizan para emitir luz láser de alta frecuencia y baja potencia. Son esenciales para aplicaciones tales como la detección y medición de distancias por luz (LiDAR), necesario para el reconocimiento facial de los teléfonos inteligentes. Al crear un patrón en la superficie del diodo láser, Genevet y su equipo demostraron que la luz emitida podía moldearse como se deseara para reducir la divergencia y eliminar la necesidad de usar una lente de colimación añadida.

Dispositivos de ocultación

Las nanoestructuras también pueden mejorar las lentes ópticas tradicionales, que presentan deficiencias inherentes conocidas como aberraciones. Por ejemplo, la aberración cromática se produce cuando se refractan diferentes colores de la luz a distintas magnitudes, lo que genera franjas de arco iris. Este fenómeno podría compensarse con el grabado de nanoestructuras en la superficie de la lente. La tecnología también puede utilizarse para fabricar ledes con propiedades más avanzadas, como la polarización y la iluminación direccional, lo que ofrece la posibilidad de crear pantallas holográficas compactas. «Otra aplicación interesante es la ocultación», afirma Genevet. «Imagínese que envuelve una interfaz en torno a un objeto y refleja la imagen de otra cosa. Sería un nuevo tipo de interfaz de ocultación, capaz de convertir una cosa en otra y de hacer realidad el hechizo transmogrificador de Harry Potter». El trabajo contó con el apoyo del Consejo Europeo de Investigación (CEI). «Está claro que sin el apoyo del CEI nada habría sido posible», señala Genevet. «Fue una oportunidad increíble para establecer mi programa, desarrollar todas las recetas de nanofabricación relacionadas, todos los programas de concepción e instalar el laboratorio de caracterización óptica». A continuación, Genevet tiene previsto solicitar una beca de consolidación para continuar su investigación. «Se nos han ocurrido ideas nuevas y sorprendentes, y ahora tenemos una visión clara acerca de qué es posible y qué no». Su laboratorio también ha recibido financiación del CEI para desarrollar un sistema LiDAR compacto de alta frecuencia mediante metasuperficies. Ahora aspiran a construir un prototipo más completo con vistas a comercializar esta tecnología.

Palabras clave

FLATLIGHT, luz, refracción, láser, metasuperficie, nanoescala, transmogrificación, lentes, fotónica, optoelectrónica

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