As revolucionárias metassuperfícies agora manipulam a luz em dose dupla

Redação do Site Inovação Tecnológica - 28/04/2025

Imagem de microscópio eletrônico de varredura de uma metassuperfície de dióxido de titânio bicamada.
[Imagem: Capasso Group/Harvard SEAS]

O dobro do melhor

Há quase uma década, uma equipe da Universidade de Harvard, nos EUA, apresentou a primeira metassuperfície a funcionar no espectro visível, criando uma alternativa poderosa e muito vantajosa aos componentes ópticos tradicionais, viabilizando aplicações compactas, leves e multifuncionais que vão desde sistemas de imagem, câmeras e realidade aumentada até espectroscopia e comunicações.

As metassuperfícies são estruturas ultrafinas e planas, constituídas por estruturas em nanoescala, conhecidas como nanoantenas, que controlam com precisão o comportamento da luz, de modos que nenhum material natural consegue.

Durante séculos, os sistemas ópticos dependeram de espelhos e lentes curvas e volumosas, feitas de vidro ou plástico, para curvar e focalizar a luz. As metassuperfícies representam uma revolução nessa área, fazendo o mesmo trabalho com estruturas planas e ultrafinas, formadas por milhões das suas minúsculas antenas, que podem manipular a luz com precisão nanométrica.

O fruto mais conhecido dessa tecnologia está na miniaturização das tecnologias fotônicas, nas metalentes, ou lentes planas: Fabricadas com a tecnologia dos semicondutores, elas já estão sendo integradas em dispositivos como celulares, câmeras e telas de realidade aumentada - apenas a equipe de Harvard já desenvolveu um endoscópio, um olho artificial e uma lente de telescópio.

Agora, a mesma equipe apresentou uma novidade radical: Eles literalmente dobraram a tecnologia, criando uma metassuperfície bicamada, feita não de uma, mas de duas camadas empilhadas, cada uma formada por nanoantenas com projetos diferentes, podendo manipular os raios de luz a seu próprio modo.

"Este é um feito do mais alto nível da nanotecnologia," disse o professor Federico Capasso. "Isto abre uma nova maneira de estruturar a luz, na qual podemos projetar todos os seus aspectos, como comprimento de onda, fase e polarização, de uma maneira sem precedentes. Isso significa um novo caminho para as metassuperfícies que até agora estavam apenas arranhando a superfície."

Estrutura das nanoantenas - ou meta-átomos - que formam a metassuperfície bicamada.
[Imagem: Ahmed H. Dorrah et al. - 10.1038/s41467-025-58205-7]

Nanoantenas duplas

Com todas as vantagens das metassuperfícies, os pesquisadores logo notaram que poderia ser melhor. Por exemplo, as metassuperfícies fabricadas até agora tinham limitações na manipulação da polarização da luz, a orientação das ondas de luz. Domar mais essa propriedade requeria metassuperfícies multifuncionais.

"Muitas pessoas investigaram a possibilidade teórica de uma metassuperfície bicamada, mas o verdadeiro gargalo foi a fabricação," contou o pesquisador Alfonso Palmieri.

A equipe precisou levar o Laboratório de Sistemas em Nanoescala de Harvard ao limite para desenvolver um processo de fabricação que permitiu construir estruturas autônomas mas interligadas, essencialmente duas metassuperfícies que se mantêm fortemente unidas, mas não se afetam quimicamente.

Para demonstrar o poder do seu dispositivo, a equipe criou um experimento no qual eles usaram suas metalentes bicamadas para manipular a luz polarizada da mesma forma que um sistema complicado de placas de onda e espelhos, um aparato que exige uma mesa de isolamento de vibração - uma mesa de granito pesando toneladas.

Mas duas camadas podem não ser o suficiente para tudo, por isso a equipe pretende ampliar sua técnica para fabricar ainda mais camadas, o que permitirá exercer controle sobre outros aspectos da luz, como operação de banda larga extrema em todo o espectro visível e infravermelho próximo, abrindo as portas para funcionalidades ainda mais sofisticadas.

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