Las nano antenas ópticas podrían tener un gran impacto

La antena, una tecnología centenaria, está en todas partes. ¿Escuchando la radio? ¿Haciendo una llamada en su teléfono celular? ¿Navega por la web a través de Wi-Fi? La antena lo hizo todo posible.

Pequeñas antenas: Esta imagen muestra una lente plana de metamaterial. La imagen conceptual de la derecha muestra cómo una lente de este tipo, hecha de antenas a nanoescala, enfoca la luz; la imagen compuesta de la izquierda muestra una fotografía de dicha lente y el retardo de fase aplicado a la onda en varias ubicaciones espaciales (la mitad multicolor).

Ahora, la antena también está cambiando la óptica.

En Federico Capasso En el laboratorio de la Universidad de Harvard, los investigadores han ideado una nueva forma de manipular la luz utilizando antenas ópticas a nanoescala. Toman efectivamente una antena de radio, la doblan en forma de V y la encogen en un factor de aproximadamente un millón, para crear lo que se llama un resonador óptico. Al modelar una superficie con varios de estos resonadores, doblados en diferentes ángulos, para crear lo que se conoce como metasuperficie, descubrieron que podían obtener luz para hacer casi cualquier cosa que quisieran.

Esto es lo que han logrado hacer hasta ahora:

Espejos que (parecen) violar las leyes del reflejo
Lo aprendimos en la escuela primaria: el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión. Envíe la luz directamente a un espejo y volverá enseguida. Ya no. Los espejos de metasuperficies basados ​​en antenas de los investigadores reflejan la luz en direcciones arbitrarias de su elección. Además de brindarnos una comprensión más general de la física de la reflexión y la refracción, estos dispositivos nos permiten controlar y redirigir la luz de formas cada vez más versátiles.

Una lente plana tan fina como un cabello
Una lente, nos dicen, es una pieza redonda de vidrio con una protuberancia en el centro, que se usa para llevar la luz a un punto. Para enfocar una cámara, tenemos que mover la lente, hacia adelante y hacia atrás, hasta que la imagen se vea más nítida. Pero, ¿qué pasa si el elemento de enfoque puede tener un grosor de solo 60 nanómetros, toda la lente del ancho de unos pocos cabellos humanos? ¿Qué pasa si al cambiar la forma de algunas antenas diminutas dentro de tal lente podemos cambiar el enfoque? Esto podría permitir que los componentes de imágenes se miniaturicen como nunca antes.

Placas de ondas metamateriales
Convencionalmente, la polarización de la luz giratoria, o el cambio entre polarización lineal y circular, requiere cristales especiales con índices de refracción que dependen de la forma en que se polariza la luz entrante. Los investigadores descubrieron que podían imitar estos efectos con sus conjuntos de antenas. Dado que al cambiar la polarización de la luz se pueden codificar datos, esta clase de elementos tiene aplicaciones potenciales en la computación y la comunicación ópticas cuánticas.

Óptica de laboratorio de metamateriales
También se han rehecho dos herramientas de laboratorio comunes en forma de metamaterial. La primera es una placa de fase en espiral, que convierte un punto láser normal en un haz de luz en forma de rosquilla con momento angular. El rayo de vórtice resultante, como se le llama, puede enviar partículas iluminadas en órbita alrededor de su centro oscuro. El segundo es un axicón, un elemento óptico que genera una luz casi sin difracción. Haz de Bessel , que se puede utilizar para colocar con precisión partículas del tamaño de una micra y moverlas a lo largo de una ruta bien definida.

Así es como funciona:

Resulta que estos resonadores ópticos no son muy diferentes de las antenas cotidianas.

El campo eléctrico oscilante de la luz impulsa los electrones hacia arriba y hacia abajo a lo largo de cada conductor de la antena. En un receptor, como una antena de TV, esta corriente fluctuante se capta y procesa. Pero hay un efecto secundario en funcionamiento: también se irradian cargas aceleradas. Y el campo reradiado generalmente diferirá en polarización, amplitud y fase. Cuánta diferencia depende de la forma, el tamaño y la orientación de cada resonador, y es este campo disperso el que manipulan los científicos. La polarización describe la dirección del campo eléctrico; la amplitud da el tamaño de las oscilaciones; y la fase marca dónde está la onda en su ciclo. Junto con la frecuencia, son suficientes para describir completamente un rayo de luz.

Los elementos ópticos convencionales alteran la fase y la polarización de la luz haciéndola pasar a través de material de espesor variable. Los espesores deben medirse cuidadosamente, las curvaturas deben cortarse con precisión para evitar errores y defectos. La matriz de antenas puede lograr lo mismo estableciendo directamente la polarización, amplitud y fase de luz deseadas en cada punto del espacio, como si el haz acabara de atravesar una lente. De esta manera, la onda se construye píxel a píxel, casi digitalmente.

A una distancia inferior a una longitud de onda por encima de la matriz, el nuevo haz ya está completamente formado. Este avance sin duda nos ha traído la óptica más compacta que el mundo haya visto jamás. En un próximo artículo en IEEE, los investigadores resumen sus hallazgos. Ellos revisan la ciencia detrás de su nuevo metamaterial basado en antenas y nos actualizan sobre el progreso que han logrado al reemplazar la óptica convencional con estas alternativas planas.

Lo que es: Una clase de óptica en su mayoría libre de las distorsiones comunes a sus contrapartes convencionales, que son fáciles de hacer mediante métodos de impresión bien establecidos y esencialmente bidimensionales.

Qué no es: Estas antenas no son muy útiles para tratar con longitudes de onda de luz visibles. Estos componentes tampoco mantienen la polarización, ya que diferentes aspectos de la onda (polarización, fase, amplitud) se manipulan juntos, lo que limita las aplicaciones. Otro problema es la ineficiencia, debido a su dependencia del mecanismo de dispersión.

Pero incluso con tal limitación, como sugieren los ejemplos anteriores, hay suficientes razones para estar emocionado.

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