Novos metamateriais: a luz baixo control

Moitas reportaxes sobre os “metamateriais” (entre comiñas, porque a definición comeza a difuminarse) fan que pensemos neles case como unha panacea para todos os problemas, dores e limitacións aos que se enfronta o mundo moderno da tecnoloxía. Os conceptos máis interesantes ultimamente son os ordenadores ópticos e a realidade virtual.

nunha relación ordenadores hipotéticos do futurocomo exemplo, pódese citar a investigación de especialistas da Universidade TAU israelí de Tel Aviv. Están a deseñar nanomateriais multicapa que deberían utilizarse para crear ordenadores ópticos. Á súa vez, investigadores do Instituto Suízo Paul Scherrer construíron unha substancia trifásica a partir de mil millóns de imáns en miniatura capaces de simular tres estados agregados, por analoxía coa auga.

Para que se pode usar? Os israelís queren construír. Os suízos falan de transmisión e gravación de datos, así como de espintrónica en xeral.

Un metamaterial trifásico feito de minimaimanes que imita os tres estados da auga.

Fotóns baixo demanda

A investigación realizada por científicos do Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Enerxía pode levar ao desenvolvemento de ordenadores ópticos baseados en metamateriais. Propoñen crear unha especie de marco láser que poida capturar determinados paquetes de átomos nun determinado lugar, creando un marco estritamente deseñado e controlado. estrutura baseada en luz. Semella aos cristais naturais. Cunha diferenza: é case perfecto, non se observan defectos nos materiais naturais.

Os científicos cren que non só poderán controlar estreitamente a posición dos grupos de átomos no seu "cristal de luz", senón que tamén inflúen activamente no comportamento dos átomos individuais mediante outro láser (rango infravermello próximo). Faranlles, por exemplo, que a demanda emitan unha determinada enerxía, incluso un só fotón que, cando se elimina dun lugar do cristal, pode actuar sobre un átomo atrapado noutro. Será unha especie de simple intercambio de información.

A capacidade de liberar rapidamente un fotón de forma controlada e transferilo con pouca perda dun átomo a outro é un paso importante de procesamento da información para a computación cuántica. Pódese imaxinar usar matrices enteiras de fotóns controlados para realizar cálculos moi complexos, moito máis rápido que usar ordenadores modernos. Os átomos incrustados nun cristal artificial tamén poderían saltar dun lugar a outro. Neste caso, eles mesmos converteríanse en portadores de información nun ordenador cuántico ou poderían crear un sensor cuántico.

Os científicos descubriron que os átomos de rubidio son ideais para os seus propósitos. Non obstante, os átomos de bario, calcio ou cesio tamén poden ser capturados por un cristal láser artificial porque teñen niveis de enerxía similares. Para facer o metamaterial proposto nun experimento real, o equipo de investigación tería que capturar uns poucos átomos nunha rede de cristal artificial e mantelos alí mesmo cando estea excitado a estados de enerxía máis elevados.

Realidade virtual sen defectos ópticos

Os metamateriais poderían atopar aplicacións útiles noutra área en desenvolvemento da tecnoloxía. A realidade virtual ten moitas limitacións diferentes. As imperfeccións da óptica que coñecemos xogan un papel importante. É practicamente imposible construír un sistema óptico perfecto, porque sempre hai as chamadas aberracións, é dicir. distorsión da onda causada por diversos factores. Somos conscientes das aberracións esféricas e cromáticas, do astigmatismo, do coma e de moitos outros efectos adversos da óptica. Calquera persoa que teña usado conxuntos de realidade virtual debe ter tratado con estes fenómenos. É imposible deseñar ópticas de RV que sexan lixeiras, produzan imaxes de alta calidade, non teñan arco da vella visible (aberracións cromáticas), dean un gran campo de visión e sexan baratas. Isto é só irreal.

É por iso que os fabricantes de equipos de RV Oculus e HTC usan o que se chaman lentes de Fresnel. Isto permítelle obter moito menos peso, eliminar as aberracións cromáticas e obter un prezo relativamente baixo (o material para a produción de tales lentes é barato). Desafortunadamente, os aneis refractivos causan w Lentes de Fresnel unha baixada importante do contraste e a creación dun brillo centrífugo, que se nota especialmente onde a escena ten un alto contraste (fondo negro).

Non obstante, recentemente os científicos da Universidade de Harvard, dirixidos por Federico Capasso, conseguiron desenvolverse lente fina e plana utilizando metamateriais. A capa de nanoestrutura do vidro é máis delgada que un cabelo humano (0,002 mm). Non só non ten os inconvenientes típicos, senón que tamén ofrece unha calidade de imaxe moito mellor que os custosos sistemas ópticos.

A lente Capasso, a diferenza das típicas lentes convexas que curvan e dispersan a luz, cambia as propiedades da onda luminosa debido ás estruturas microscópicas que sobresaen da superficie, depositadas sobre o vidro de cuarzo. Cada unha destas repisas refracta a luz de forma diferente, cambiando a súa dirección. Polo tanto, é importante distribuír adecuadamente tal nanoestrutura (patrón) deseñada e producida por ordenador mediante métodos similares aos procesadores informáticos. Isto significa que este tipo de lentes pódense producir nas mesmas fábricas que antes, utilizando procesos de fabricación coñecidos. O dióxido de titanio úsase para pulverizar.

Cabe mencionar outra solución innovadora de "meta-óptica". hiperlentes metamateriaistomada na Universidade Americana de Buffalo. As primeiras versións de hiperlenses estaban feitas de prata e un material dieléctrico, pero só funcionaban nun rango moi estreito de lonxitudes de onda. Os científicos de Buffalo utilizaron unha disposición concéntrica de varillas de ouro nunha caixa de termoplástico. Funciona no rango de lonxitude de onda da luz visible. Os investigadores ilustran o aumento da resolución resultante da nova solución usando un endoscopio médico como exemplo. Adoita recoñecer obxectos de ata 10 nanómetros e, despois de instalar hiperlenses, "cae" ata 250 nanómetros. O deseño supera o problema da difracción, un fenómeno que reduce significativamente a resolución dos sistemas ópticos: en lugar da distorsión da onda, convértense en ondas que poden ser gravadas en dispositivos ópticos posteriores.

Segundo unha publicación en Nature Communications, este método pódese utilizar en moitas áreas, desde a medicina ata as observacións de moléculas únicas. Convén esperar a dispositivos concretos baseados en metamateriais. Quizais permitan que a realidade virtual alcance por fin un verdadeiro éxito. En canto aos "computadores ópticos", estas aínda son perspectivas bastante distantes e vagas. Non obstante, nada se pode descartar...