Es un escenario con el 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 cargando sitios web o intentando reproducir videos de alta definición, y todos anhelan más ancho de banda. . Ahora imagine que 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 utilizamos hoy. Es posible que ese sueño no desaparezca gracias al desarrollo de metasuperficies: pequeñas láminas diseñadas que pueden reflejar y dirigir la luz en la forma deseada.
En un artículo publicado hoy en la revista nanotecnología natural, Un equipo de ingenieros de Caltech ha informado sobre la creación de una metasuperficie modelada con pequeñas antenas sintonizables que reflejan un haz entrante de luz óptica para crear muchas bandas laterales, o canales, de diferentes frecuencias ópticas capaces de hacerlo.
“Con estas metasuperficies, hemos podido demostrar que entra un solo haz de luz y salen varios haces de luz, cada uno con una frecuencia óptica diferente”, dice Harry Atwater, presidente de liderazgo de Otisbooth, que van juntos y en diferentes. direcciones.” Profesor Howard Hughes de Física Aplicada y Ciencia de Materiales, División de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, y autor principal del nuevo artículo. “Está actuando como una gran variedad de canales de comunicación. Y hemos encontrado una manera de hacerlo para señales de espacio libre en lugar de señales transportadas por fibra óptica”.
Este trabajo señala un camino prometedor no sólo para el desarrollo de un nuevo tipo de canal de comunicación inalámbrica, sino también potencialmente para nuevas tecnologías de localización de distancias e incluso para enviar grandes cantidades de datos al espacio y más allá.
Más allá de los elementos ópticos tradicionales
El coautor principal del nuevo artículo, Prachi Thorija, un estudiante graduado del grupo de Atwater, dice que primero debemos considerar la palabra “metasuperficie” para comprender su trabajo. La raíz “meta” proviene del griego meta que significa “más allá”. Las metasuperficies están diseñadas para ir más allá de lo que podemos hacer con los grandes elementos ópticos tradicionales, como lentes de cámaras o microscopios. Los dispositivos multicapa similares a transistores se construyen con patrones cuidadosamente seleccionados de antenas a nanoescala que pueden reflejar, dispersar o controlar la luz de otro modo. Estos dispositivos planos pueden enfocar la luz como una lente o reflejarla como un espejo, diseñando estratégicamente una serie de elementos a nanoescala que pueden cambiar la forma en que responde la luz.
Gran parte del trabajo anterior con metasuperficies se ha centrado en la creación de dispositivos pasivos que tienen una única funcionalidad de dirección de luz que se fija en el tiempo. Por el contrario, el grupo de Atwater se centra en las llamadas metasuperficies activas. “Ahora podemos aplicar un estímulo externo, como una serie de diferentes voltajes, a estos dispositivos y sintonizarlos entre diferentes funciones pasivas”, dice Jared Sessler, estudiante de posgrado en el laboratorio de Atwater y también 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 un 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 miles de veces mayor que la radiofrecuencia, lo que significa que el ancho de banda está mucho más disponible.
En las radiofrecuencias, la electrónica puede dirigir fácilmente el haz de luz en diferentes direcciones. Esto lo realizan habitualmente los equipos de navegación por radar utilizados en los aviones. Pero actualmente no existen dispositivos electrónicos que puedan hacer esto a frecuencias ópticas muy altas. Entonces, los investigadores tuvieron que intentar algo diferente: cambiar las propiedades de la propia antena.
Sisler y Thorija crearon su metasuperficie que consiste en una antena de oro, con una capa semiconductora subyacente sintonizable eléctricamente de óxido de indio y estaño. Al aplicar un perfil de voltaje conocido al dispositivo, pueden modular localmente la densidad de electrones en la capa semiconductora debajo de cada antena, cambiando su índice de refracción (la capacidad de un material para desviar la luz). “Al configurar espacialmente diferentes voltajes en todo el dispositivo, podemos redirigir la luz reflejada en ángulos específicos en tiempo real sin necesidad de reemplazar ningún componente importante”, dice Threja.
“Tenemos un láser incidente que incide en nuestra metasuperficie a una determinada frecuencia, y modulamos la antena con una señal de voltaje de alta frecuencia en el tiempo. Esto produce una serie de nuevas frecuencias, o bandas laterales, que son transportadas por la luz láser incidente y se pueden utilizar como canales de alta velocidad de datos para enviar información, todavía tenemos control espacial, lo que significa que podemos elegir dónde va cada canal en el espacio “, explica Sisler. “Estamos generando frecuencias y conduciéndolas a través del espacio. Ese es el componente espacio-temporal de esta metasuperficie”.
Mirando hacia el futuro.
Además de demostrar que dicha metasuperficie es capaz de difundir y redirigir luz en frecuencias ópticas a través del espacio libre (en lugar de fibras ópticas), el equipo dice que el trabajo apunta a varias aplicaciones potenciales. Estas metasuperficies pueden resultar útiles en aplicaciones LiDAR, el equivalente luminoso del radar, donde se utiliza la luz para extraer información de profundidad de una escena tridimensional. El sueño final es desarrollar una “metasuperficie universal” que crearía múltiples canales ópticos, cada uno de los cuales transportaría información en diferentes direcciones a través del espacio vacío.
“Si las metasuperficies ópticas se convierten en una tecnología viable que se expande, dentro de una década podrás sentarte en Starbucks con un grupo de otras personas en tu computadora portátil y, en lugar de que cada persona tenga una frecuencia de radio, obtendrás una señal de Wi-Fi. obtienen su señal de haz de luz de alta fidelidad”, dice Atwater, quien también es director de Liquid Sunlight Alliance en Caltech. “Una metasuperficie podría transmitir diferentes frecuencias a cada persona”.
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 debido a la capacidad de enviar muchos más datos a frecuencias más altas. “Estos dispositivos serán perfectos para lo que están haciendo”, afirma Sisler.
El nuevo artículo, “Metasuperficies espacio-temporales eléctricamente sintonizables en frecuencias ópticas”, aparece en la edición del 24 de julio de la revista Nature Nanotechnology. Los autores adicionales del artículo incluyen a Meir Y. Grajower, ex investigador asociado postdoctoral en el grupo de Atwater; Rozan Sukhoyan, científica investigadora en nanofotónica de Caltech; y Evie Huang, ex alumna de una beca de investigación de verano en el grupo de Atwater. Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Meta-Imaging de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, DARPA EXTREME MURI, el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Naturales de Canadá y Meta Platforms Inc.
