Es una escena con la que muchos de nosotros estamos familiarizados: estás trabajando en tu computadora portátil en la cafetería local con quizás media docena de otros usuarios de computadoras portátiles; cada uno de ustedes intenta cargar un sitio web o transmitir un video de alta definición, y todos están anhelando más ancho de banda. Ahora imagínese si cada uno de ustedes tuviera un canal inalámbrico dedicado para la comunicación que fuera cientos de veces más rápido y con cientos de veces más ancho de banda que el Wi-Fi que usamos hoy. Ese sueño puede no estar demasiado lejos para el desarrollo de metasuperficies: pequeñas láminas diseñadas que pueden reflejar y dirigir la luz en la forma deseada.
En un artículo de investigación publicado hoy en la revista Dr. nanotecnología natural, Un equipo de ingenieros de Caltech ha informado que dicha metasuperficie se ha construido con antenas sintonizables en miniatura capaces de reflejar un haz entrante de luz óptica para crear muchas bandas laterales, o canales, de diferentes frecuencias ópticas.
“Con estas metasuperficies, pudimos demostrar que un rayo de luz entra y varios rayos de luz salen, cada uno con una frecuencia óptica diferente y moviéndose en diferentes direcciones”, dijo el presidente de liderazgo de Otis Booth, Harry Atwater. Profesor Howard Hughes de Física Aplicada y Ciencia de Materiales, Departamento de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, y autor principal del nuevo artículo. “Está actuando como una gran variedad de canales de comunicación. Y encontramos una manera de hacerlo para señales de espacio libre en lugar de señales transportadas por fibras ópticas”.
El trabajo señala un camino prometedor no sólo para el desarrollo de un nuevo tipo de canal de comunicación inalámbrico, sino también para tecnologías potencialmente nuevas de determinación de distancias e incluso una forma novedosa de transmitir grandes cantidades de datos hacia y desde el espacio.
Más allá de los componentes ópticos convencionales
El coautor principal del nuevo artículo, Prachi Thureja, un estudiante de posgrado del grupo Atwater, dijo que para comprender su trabajo, primero considere el término “metasuperficie”. La raíz “meta” proviene de un prefijo griego que significa “después”. Las metasuperficies están diseñadas para ir más allá de lo que podemos hacer con componentes ópticos voluminosos convencionales como lentes de cámaras o microscopios. Los dispositivos multicapa similares a transistores están fabricados con un patrón cuidadosamente seleccionado de antenas a nanoescala que pueden reflejar, dispersar o controlar la luz de otro modo. Estos dispositivos planos pueden enfocar la luz al estilo de una lente o reflejarla como un espejo, diseñando estratégicamente una serie de elementos a nanoescala que cambian la forma en que reacciona la luz.
Gran parte del trabajo previo con metasuperficies se ha centrado en la creación de dispositivos pasivos que tengan una única función de dirección de luz que sea constante en el tiempo. Por el contrario, el grupo de Atwater se centró en lo que se conoce como metasuperficies activas. “Ahora podemos aplicar un estímulo externo a estos dispositivos, como una serie de voltajes diferentes, y sintonizarlos en diferentes funciones pasivas”, dijo Jared Sisler, estudiante graduado en el laboratorio de Atwater y coautor principal del artículo.
En el último trabajo, el equipo describe lo que llaman una metasuperficie espacio-temporal que puede reflejar la luz en direcciones específicas y también en frecuencias específicas (una función del tiempo, ya que la frecuencia se define como el número de ondas que pasan por un punto por segundo). . Este dispositivo de metasuperficie, cuyo núcleo tiene sólo 120 micras de ancho y 120 micras de longitud, funciona en modo de reflexión en frecuencias ópticas comúnmente utilizadas para las telecomunicaciones, concretamente en 1.530 nanómetros. Esto es mil veces mayor que la radiofrecuencia, lo que significa que hay mucho más ancho de banda disponible.
En radiofrecuencias, la electrónica puede dirigir fácilmente los rayos de luz en diferentes direcciones. Esto se logra habitualmente mediante dispositivos de navegación por radar utilizados en aviones. Pero actualmente no existen dispositivos electrónicos que puedan hacer esto a frecuencias ópticas mucho más altas. Por tanto, los investigadores tuvieron que intentar algo diferente, que consistió en cambiar las características de la propia antena.
Sisler y Thureja desarrollaron su metasuperficie combinando antenas de oro, óxido de indio y estaño con una capa semiconductora subyacente sintonizable eléctricamente. Al aplicar un perfil de voltaje conocido a través del dispositivo, pueden alterar localmente la densidad de electrones en la capa semiconductora debajo de cada antena, cambiando su índice de refracción (la capacidad del material para desviar la luz). “Al tener una configuración espacial de diferentes voltajes en el dispositivo, podemos redirigir la luz reflejada en ángulos específicos en tiempo real sin la necesidad de cambiar ningún componente voluminoso”, dijo Thureja.
“Tenemos un láser incidente que golpea nuestra metasuperficie a una frecuencia determinada, y modulamos las antenas en el tiempo con una señal de voltaje de alta frecuencia. Esto crea múltiples frecuencias nuevas, o bandas laterales, que son transportadas por la luz láser incidente y pueden usarse “Como canal de alta velocidad de datos para enviar información, además, todavía tenemos control espacial, lo que significa que podemos elegir dónde va cada canal en el espacio”, explica Sisler. “Estamos creando frecuencias y manipulándolas en el espacio. Ese es el elemento espacio-temporal de esta metasuperficie”.
Mirando hacia el futuro
Más allá de demostrar que dicha metasuperficie es capaz de dividir y redirigir la luz en frecuencias ópticas en el espacio libre (en lugar de fibras ópticas), el equipo dice que el trabajo apunta a una serie de aplicaciones potenciales. Estas metasuperficies pueden ser útiles en aplicaciones LiDAR, el equivalente luminoso del radar, donde se utiliza la luz para capturar información de profundidad de una escena tridimensional. El sueño final es crear una “metasuperficie universal” que crearía múltiples canales ópticos, cada espacio transportando información en diferentes direcciones.
“Si las metasuperficies ópticas se convierten en una tecnología realizable que se expande, entonces dentro de una década podrás sentarte en un Starbucks con un grupo de otras personas en sus computadoras portátiles, y en lugar de que cada persona reciba una señal Wi-Fi de radiofrecuencia, tendrán su propia señal de haz de luz de fidelidad”, dijo Atwater, quien también es director de Liquid Sunlight Alliance de Caltech. “Una metasuperficie podría transmitir una frecuencia diferente a cada individuo”.
El grupo está colaborando con el Laboratorio de Comunicaciones Ópticas del JPL, que está trabajando en el uso de frecuencias ópticas en lugar de ondas de radiofrecuencia para comunicarse con misiones espaciales porque permitirá enviar muchos más datos a frecuencias más altas. “Estos dispositivos serán apropiados para lo que están haciendo”, afirmó Sisler.
El nuevo artículo, “Metasuperficie espacio-temporal sintonizable eléctricamente en frecuencias ópticas”, aparece en la edición del 24 de julio de la revista Nature Nanotechnology. Otros autores del artículo incluyen a Meir Y. Grazier, ex investigador asociado postdoctoral del Grupo Atwater; Rujan Sokhoyan, científico investigador en nanofotónica de Caltech; e Ivy Huang, ex becaria de investigación de verano en Atwater Group. El trabajo fue apoyado por la Oficina de Investigación Científica Meta-Imaging de la Fuerza Aérea, DARPA Xtreme Murry, el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Naturales de Canadá y MetaPlatform, Inc.