Material artificial controla e focaliza luz em três dimensões

Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/10/2019

Estas imagens são perfis de intensidade de luz do campo óptico, aparecendo aproximadamente 185 micrômetros acima da superfície do metamaterial. À esquerda, há um perfil de intensidade de luz simulado. À direita, um perfil real, mostrando que o dispositivo produz um ponto focal de luz no local previsto.
[Imagem: Alan Zhan/Universidade de Washington]

Luz projetada em 3D

Os metamateriais atingiram uma nova dimensão: Esses materiais artificiais agora podem manipular a luz com precisão em nanoescala, e focalizar a luz em pontos discretos para formar um padrão helicoidal 3D.

Isso demonstra que é possível modelar e construir metamateriais capazes de manipular campos ópticos com precisão e com alta resolução espacial em três dimensões, abrindo novas perspectivas para a holografia 3D, entre várias outras aplicações.

Embora a equipe tenha escolhido um padrão helicoidal - uma hélice ou parafuso - para demonstrar a focalização da luz em 3D, a técnica pode ser usada para projetar elementos ópticos que controlem e foquem a luz em outros padrões.

Dispositivos com esse nível de controle da luz podem ser usados não apenas para miniaturizar os elementos ópticos atuais, como lentes ou retrorrefletores, como também para criar sensores de profundidade ultracompactos para carros sem motoristas encontrarem seu caminho, bem como elementos ópticos para telas e monitores e sensores em ambientes virtuais e óculos de realidade aumentada.

"Este dispositivo relatado realmente não tem análogo clássico na óptica refrativa - a óptica que encontramos no dia-a-dia," disse o professor Arka Majumdar, da Universidade de Washington, nos EUA. "Ninguém nunca criou um dispositivo como este antes com este conjunto de recursos".

Micrografia eletrônica de varredura da superfície do metamaterial.
[Imagem: James Whitehead/Universidade de Washington]

Metassuperfície óptica

O elemento óptico que a equipe projetou e construiu é essencialmente uma superfície coberta por milhares de pequenas esferas de tamanhos diferentes, dispostas em uma rede periódica quadrada - tecnicamente, ela é uma metassuperfície. O uso de esferas simplificou o design, e a equipe usou uma impressora 3D disponível comercialmente para fabricar dois protótipos - o maior dos dois com lados de apenas 0,02 centímetro.

As nanoestruturas esféricas foram impressas a partir de um epóxi ultravioleta sobre uma superfície de vidro. Um elemento foi projetado para focalizar a luz em 1.550 nanômetros, e o outro em 3.000 nanômetros.

Sob o microscópio foi possível ver quase todos os pontos de luz focados nas posições previstas pelas simulações teóricas do metamaterial, que foi projetado por um programa especial desenvolvido pela equipe.

Com o alto desempenho dos protótipos, a equipe agora pretende melhorar o processo de design para reduzir os níveis de luz de fundo e melhorar a precisão do posicionamento dos pontos focais, além de incorporar outros elementos de design compatíveis com a teoria de espalhamento de Mie, ou dispersão de Mie - uma solução das equações de Maxwell para a dispersão da radiação eletromagnética feita pelo físico alemão Gustav Mie.

Uma direção particularmente promissora seria avançar além de uma superfície plana, para criar um metamaterial 3D de volume real.

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