Investigadores del Centro de Investigación Científica Avanzada del Centro de Graduados de la Universidad de la Ciudad de Nueva York (CUNY ASRC) han demostrado experimentalmente que las metasuperficies (materiales 2D texturizados a nanoescala) pueden controlar con precisión las propiedades ópticas de la radiación térmica generada dentro de la propia superficie metamórfica. Este trabajo pionero, ha sido publicado en Nanotecnología naturalAllana el camino para la creación de fuentes de luz personalizadas con capacidades sin precedentes, que impactan en una amplia gama de aplicaciones científicas y tecnológicas.

La radiación térmica, una forma de ondas electromagnéticas generadas por fluctuaciones aleatorias en la materia causadas por el calor, es inherentemente de banda ancha y se compone de muchos colores. Un buen ejemplo es la luz emitida por una lámpara incandescente. Tampoco está polarizado y se propaga en todas direcciones debido a su aleatoriedad. Estas propiedades a menudo limitan su utilidad en aplicaciones que requieren características de luz bien definidas. Por el contrario, la luz láser, conocida por su frecuencia, polarización y dirección de propagación específicas, está bien definida, lo que la hace invaluable para muchas aplicaciones clave en la sociedad moderna.

Las superficies metamórficas ofrecen una solución para lograr una mayor utilidad al controlar las ondas electromagnéticas a través de geometrías precisas de nanopilares dispuestos en sus superficies. Al cambiar estas estructuras, los investigadores pueden lograr control sobre la dispersión de la luz, «dando forma» efectiva a la luz de maneras personalizables. Sin embargo, hasta la fecha, las superficies metamórficas sólo se han desarrollado para controlar fuentes de luz láser y requieren configuraciones de excitación enormes y costosas.

«Nuestro objetivo final es permitir una tecnología de metasuperficie que no requiera fuentes láser externas», dijo uno de los autores principales del estudio, Adam Overweg, ex investigador postdoctoral en la Iniciativa de Fotónica del Centro de Investigación de Ciencias Aplicadas de la Universidad de la Ciudad de Nueva York y un profesor asistente en el Instituto de Tecnología Stevens «Pero son capaces de proporcionar un control preciso sobre la forma en que se emite y propaga la radiación térmica. Nuestro trabajo es un paso importante en este esfuerzo, proporcionando la base para una nueva clase de superficies metamórficas que no lo hacen». requieren fuentes láser externas, sino que se alimentan de las oscilaciones incoherentes internas del material impulsadas por el calor».

Control sin precedentes de la radiación térmica

El equipo de investigación había Publicado anteriormente El trabajo teórico muestra que una superficie holográfica diseñada adecuadamente puede dar forma a la radiación térmica que genera, dándole características deseables como frecuencias específicas, polarización personalizada e incluso la forma de onda deseada capaz de crear una imagen 3D. Este estudio predijo que, a diferencia de las superficies holográficas tradicionales, una superficie holográfica diseñada adecuadamente puede producir y controlar su radiación térmica de nuevas formas.

En este avance, el equipo se propuso validar experimentalmente estas predicciones y aprovechar su nueva funcionalidad. La superficie integrada se logró simplificando la estructura del dispositivo previamente imaginada, que era elegante pero difícil de lograr, en una única capa estructurada con un patrón 2D. Este diseño simplificado facilita la fabricación y la implementación práctica.

Si bien la radiación térmica convencional no está polarizada, la investigación se ha centrado en gran medida en permitir la radiación térmica utilizando luz polarizada circularmente, donde el campo eléctrico oscila de forma giratoria. Trabajos recientes han demostrado que las polarizaciones circulares opuestas (que giran respectivamente con propiedades izquierda y derecha) se pueden dividir en direcciones opuestas, pero parece haber un límite fundamental para un mayor control de la polarización de la luz emitida.

El nuevo diseño del equipo supera esta limitación, permitiendo la emisión asimétrica de polarización circular hacia una dirección, demostrando un control completo de la emisión térmica.

«Las fuentes de luz dedicadas son parte integral de una serie de campos científicos y tecnológicos», dijo Andrea Allo, profesora distinguida y profesora de física en el Centro de Graduados de CUNY y directora fundadora de la Iniciativa de Fotónica de CUNY. buenas propiedades espectrales y de polarización «La localización deseable es particularmente convincente para aplicaciones que requieren portabilidad, como la tecnología espacial, la investigación de campo en geología y biología y las operaciones militares. Este trabajo representa un paso importante hacia la realización de estas capacidades».

El equipo observó que los principios aplicados en su trabajo actual podrían ampliarse para incluir diodos emisores de luz (LED), con el potencial de mejorar otra fuente de luz muy común y barata, que es notoriamente difícil de controlar.

En el futuro, el equipo de investigación pretende combinar estos elementos básicos para lograr patrones de emisión térmica más complejos, como enfocar la emisión térmica en un punto específico sobre el dispositivo o crear una imagen térmica en 3D. Estos desarrollos podrían revolucionar el diseño y la funcionalidad de las fuentes de luz personalizadas.