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Científicos inventan metamaterial 'invisible' con modo de reflejo adicional

Científicos inventan metamaterial 'invisible' con modo de reflejo adicional



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Un equipo de investigación internacional ha propuesto la creación de un nuevo metamaterial con propiedades ópticas ajustables, sin la necesidad de entrada mecánica (o manual), que puede mejorar la confiabilidad del dispositivo óptico al tiempo que reduce los costos de fabricación, según un artículo de portada publicado en la revista.Optica.

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Metamaterial 'invisible' en el horizonte

El desarrollo acelerado de la física y la ciencia de los materiales a lo largo de las últimas décadas ha traído a la sociedad un amplio espectro de materiales disponibles. Pero ahora los que diseñan dispositivos complejos están menos restringidos por los límites de los materiales tradicionales como metales, vidrio, madera o minerales. Aquí es donde los metamateriales, estudiados en la Universidad ITMO y en otros lugares, abren nuevas oportunidades para nuevos usos.

Los metamateriales, que constan de estructuras periódicas complejas, son relativamente independientes de las propiedades de sus componentes constitutivos y pueden tener estructuras volumétricas o planas. Estos últimos se denominan metasuperficies.

"Las metauperficies nos permiten lograr muchos efectos interesantes en la manipulación de la luz", dijo el investigador principal del Departamento de Física e Ingeniería de la Universidad ITMO, Ivan Sinev, paraÓptica. "Pero estas metasuperficies tienen un problema: cómo interactúan con la luz se decide justo en el momento en que diseñamos su estructura. Cuando creamos dispositivos para uso práctico, nos gustaría poder controlar estas propiedades no solo al principio, sino durante utilizar también ".

Forjando nuevas 'metasuperficies'

Mientras buscan materiales apropiados para dispositivos ópticos adaptativos, los investigadores de la Universidad ITMO utilizan su considerable experiencia trabajando con metasuperficies de silicio para unir fuerzas con sus colegas de la Universidad de Exeter en el Reino Unido, quienes también tienen mucha experiencia en el trabajo con materiales de cambio de fase. Uno de esos materiales es el compuesto de telururo de germanio y antimonio (GeSbTe) que se encuentra en los DVD.

"Hemos realizado cálculos para ver cómo se vería este nuevo material compuesto", dijo Pavel Trofimov, un estudiante de doctorado en los departamentos de física e ingeniería, a Optica. "Tenemos una inclusión de GeSbTe incrustada como una capa de cosa entre dos capas de silicio. Es una especie de sándwich: primero cubrimos un sustrato en blanco con silicio, luego ponemos una capa de material de cambio de fase y luego un poco más de silicio. "

Después de esto, los científicos utilizan un método de litografía con haz de electrones para convertir la estructura de nueva capa en una metasuperficie. Finalmente, se convirtió en una serie de discos microscópicos para someterlos a pruebas en el laboratorio, para ver qué tan bien manipula la luz.

Cambio de fase: orden invisible, reflexión caótica

Tal como esperaban los investigadores, la combinación de dos materiales en una estructura periódica compleja creó una función importante: el nivel de transparencia de la superficie recién formada se puede alterar a lo largo del experimento. Esto se debe a un disco de silicio en la región del infrarrojo cercano con dos resonancias ópticas, lo que le permite reflejar con fuerza los rayos infrarrojos que apuntan a su superficie. La capa de GeSbTe brinda a los científicos la capacidad de "apagar" una de las dos resonancias, lo que hace que el disco sea casi transparente a la luz en la parte del espectro del infrarrojo cercano.

Los materiales capaces de cambiar de fase tienen dos estados: uno es cristalino e involucra moléculas dispuestas en una estructura ordenada, mientras que el otro es un estado amorfo. Cuando la capa GeSbTe en el centro del metamaterial está dispuesta en un estado cristalino, la segunda resonancia desaparece; cuando es amorfa, el disco reflejará los rayos IR.

"Para cambiar entre los dos estados de metasuperficie, hemos utilizado un láser de pulso suficientemente potente", dijo Pavel Trofimov aÓptica. "Al enfocar el láser en nuestro disco, podemos realizar el cambio con relativa rapidez. Un pulso de láser corto calienta la capa de GeSbTe casi hasta el punto de fusión, después de lo cual se enfría rápidamente y se vuelve amorfa. Si la sometemos a una serie de pulsos cortos, se enfría más lentamente, estableciéndose en un estado cristalino ".

Las propiedades de la nueva metasuperficie abren la puerta a una variedad de aplicaciones. Lo más interesante es la creación de lidars, dispositivos que escanean un espacio mediante la emisión de pulsos infrarrojos y luego reciben rayos reflejados. El principio de la creación de este metamaterial también podría promover la producción de lentes fotográficos ultrafinos especiales, como los que todos usamos en las cámaras de los teléfonos inteligentes.

A medida que la ciencia de los materiales continúa acumulando avances, el mundo en expansión de la electrónica de vanguardia, desde teléfonos inteligentes para consumidores hasta hardware militar avanzado, podría estar dando sus primeros pasos hacia una gran revolución industrial.


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