Nuevos metamateriales: luz bajo control
Muchos informes sobre "metamateriales" (entre comillas, porque la definición comienza a desdibujarse) nos hacen pensar en ellos como casi una panacea para todos los problemas, dolores y limitaciones que enfrenta el mundo moderno de la tecnología. Los conceptos más interesantes últimamente se refieren a las computadoras ópticas y la realidad virtual.
en relación con computadoras hipoteticas del futurolos ejemplos incluyen estudios realizados por especialistas de la Universidad TAU israelí en Tel Aviv. Están diseñando nanomateriales multicapa que deberían usarse para crear computadoras ópticas. A su vez, investigadores del Instituto Paul Scherrer de Suiza construyeron una sustancia trifásica a partir de mil millones de imanes en miniatura capaces de simular tres estados agregados, por analogía con el agua.
Para qué se puede usar? Los israelíes quieren construir. Los suizos hablan de transmisión y registro de datos, así como de espintrónica en general.
Un metamaterial trifásico hecho de miniimanes que imita los tres estados del agua.
Fotones bajo demanda
La investigación realizada por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en el Departamento de Energía puede conducir al desarrollo de computadoras ópticas basadas en metamateriales. Proponen crear una especie de marco láser que pueda capturar ciertos paquetes de átomos en un lugar determinado, creando un diseño estrictamente controlado. estructura basada en la luz. Se parece a los cristales naturales. Con una diferencia: es casi perfecto, no se observan defectos en los materiales naturales.
Los científicos creen que no solo podrán controlar estrictamente la posición de los grupos de átomos en su "cristal de luz", sino que también influirán activamente en el comportamiento de los átomos individuales utilizando otro láser (rango infrarrojo cercano). Harán que, por ejemplo, bajo demanda emitan cierta energía, incluso un solo fotón, que, cuando se retira de un lugar en el cristal, puede actuar sobre un átomo atrapado en otro. Será una especie de simple intercambio de información.
La capacidad de liberar rápidamente un fotón de manera controlada y transferirlo con poca pérdida de un átomo a otro es un paso importante en el procesamiento de información para la computación cuántica. Uno puede imaginar el uso de conjuntos completos de fotones controlados para realizar cálculos muy complejos, mucho más rápido que usar computadoras modernas. Los átomos incrustados en un cristal artificial también podrían saltar de un lugar a otro. En este caso, ellos mismos se convertirían en portadores de información en una computadora cuántica o podrían crear un sensor cuántico.
Los científicos han descubierto que los átomos de rubidio son ideales para sus propósitos. Sin embargo, los átomos de bario, calcio o cesio también pueden ser capturados por un cristal láser artificial porque tienen niveles de energía similares. Para convertir el metamaterial propuesto en un experimento real, el equipo de investigación tendría que capturar algunos átomos en una red cristalina artificial y mantenerlos allí incluso cuando se excitan a estados de energía más altos.
Realidad virtual sin defectos ópticos
Los metamateriales podrían encontrar aplicaciones útiles en otra área en desarrollo de la tecnología. La realidad virtual tiene muchas limitaciones diferentes. Las imperfecciones de la óptica que conocemos juegan un papel importante. Es prácticamente imposible construir un sistema óptico perfecto, porque siempre existen las llamadas aberraciones, es decir distorsión de onda causada por varios factores. Somos conscientes de las aberraciones cromáticas y esféricas, el astigmatismo, el coma y muchos, muchos otros efectos adversos de la óptica. Cualquiera que haya utilizado sets de realidad virtual debe haber lidiado con estos fenómenos. Es imposible diseñar ópticas de realidad virtual que sean livianas, produzcan imágenes de alta calidad, no tengan un arco iris visible (aberraciones cromáticas), brinden un gran campo de visión y sean económicas. Esto es simplemente irreal.
Por eso, los fabricantes de equipos de realidad virtual Oculus y HTC utilizan lo que se denomina lentes Fresnel. Esto le permite obtener un peso significativamente menor, eliminar las aberraciones cromáticas y obtener un precio relativamente bajo (el material para la producción de tales lentes es barato). Desafortunadamente, los anillos refractivos causan w lentes fresnel una caída significativa en el contraste y la creación de un brillo centrífugo, que es especialmente notable donde la escena tiene un alto contraste (fondo negro).
Sin embargo, recientemente científicos de la Universidad de Harvard, liderados por Federico Capasso, lograron desarrollar lente delgada y plana usando metamateriales. La capa de nanoestructura sobre el vidrio es más delgada que un cabello humano (0,002 mm). No solo no tiene los típicos inconvenientes, sino que además proporciona una calidad de imagen mucho mejor que los costosos sistemas ópticos.
La lente Capasso, a diferencia de las lentes convexas típicas que doblan y dispersan la luz, cambia las propiedades de la onda de luz debido a las estructuras microscópicas que sobresalen de la superficie, depositadas en el cristal de cuarzo. Cada uno de esos salientes refracta la luz de manera diferente, cambiando su dirección. Por lo tanto, es importante distribuir adecuadamente dicha nanoestructura (patrón) diseñada por computadora y producida utilizando métodos similares a los procesadores de computadora. Esto significa que este tipo de lente se puede producir en las mismas fábricas que antes, utilizando procesos de fabricación conocidos. El dióxido de titanio se utiliza para la pulverización catódica.
Vale la pena mencionar otra solución innovadora de "meta-óptica". hiperlentes metamaterialestomado en la Universidad Americana de Buffalo. Las primeras versiones de hiperlentes estaban hechas de plata y un material dieléctrico, pero solo funcionaban en un rango muy estrecho de longitudes de onda. Los científicos de Buffalo utilizaron una disposición concéntrica de barras de oro en una caja termoplástica. Funciona en el rango de longitud de onda de la luz visible. Los investigadores ilustran el aumento en la resolución resultante de la nueva solución usando un endoscopio médico como ejemplo. Por lo general, reconoce objetos de hasta 10 nanómetros y, después de instalar hiperlentes, "baja" a 250 nanómetros. El diseño supera el problema de la difracción, un fenómeno que reduce significativamente la resolución de los sistemas ópticos: en lugar de distorsión de onda, se convierten en ondas que se pueden registrar en dispositivos ópticos posteriores.
Según una publicación en Nature Communications, este método se puede utilizar en muchas áreas, desde la medicina hasta las observaciones de moléculas individuales. Conviene esperar dispositivos concretos basados en metamateriales. Quizás permitan que la realidad virtual finalmente logre un verdadero éxito. En cuanto a las "computadoras ópticas", estas son perspectivas aún bastante lejanas y vagas. Sin embargo, no se puede descartar nada...
