Novos metamateriais: luz sob controle

Muitos relatos sobre "metamateriais" (entre aspas, porque a definição está começando a se confundir) nos fazem pensar neles como quase uma panacéia para todos os problemas, dores e limitações que o mundo moderno da tecnologia enfrenta. Os conceitos mais interessantes ultimamente dizem respeito a computadores ópticos e realidade virtual.

em relação a computadores hipotéticos do futurocomo exemplo, pode-se citar a pesquisa de especialistas da Universidade Israelita TAU em Tel Aviv. Eles estão projetando nanomateriais multicamadas que devem ser usados ​​para criar computadores ópticos. Por sua vez, pesquisadores do Instituto Suíço Paul Scherrer construíram uma substância trifásica a partir de um bilhão de ímãs em miniatura capazes de simular três estados agregados, por analogia com a água.

Para que isso pode ser usado? Os israelenses querem construir. Os suíços falam sobre transmissão e gravação de dados, assim como spintrônica em geral.

Um metamaterial trifásico feito de miniímãs que imita os três estados da água.

Fótons sob demanda

Pesquisas de cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia podem levar ao desenvolvimento de computadores ópticos baseados em metamateriais. Eles propõem criar uma espécie de estrutura de laser que pode capturar certos pacotes de átomos em um determinado local, criando uma estrutura estritamente projetada e controlada. estrutura baseada em luz. Assemelha-se a cristais naturais. Com uma diferença - é quase perfeito, nenhum defeito é observado em materiais naturais.

Os cientistas acreditam que não só serão capazes de controlar rigidamente a posição de grupos de átomos em seu "cristal de luz", mas também influenciar ativamente o comportamento de átomos individuais usando outro laser (próximo ao infravermelho). Eles farão com que, por exemplo, emitam sob demanda uma certa energia - até mesmo um único fóton, que, quando retirado de um local do cristal, pode agir sobre um átomo preso em outro. Será uma espécie de simples troca de informações.

A capacidade de liberar rapidamente um fóton de maneira controlada e transferi-lo com pouca perda de um átomo para outro é uma importante etapa de processamento de informações para a computação quântica. Pode-se imaginar o uso de matrizes inteiras de fótons controlados para realizar cálculos muito complexos - muito mais rápido do que usar computadores modernos. Átomos embutidos em um cristal artificial também podem pular de um lugar para outro. Nesse caso, eles mesmos se tornariam portadores de informações em um computador quântico ou poderiam criar um sensor quântico.

Os cientistas descobriram que os átomos de rubídio são ideais para seus propósitos. No entanto, átomos de bário, cálcio ou césio também podem ser capturados por um cristal de laser artificial porque possuem níveis de energia semelhantes. Para fazer o metamaterial proposto em um experimento real, a equipe de pesquisa teria que capturar alguns átomos em uma rede cristalina artificial e mantê-los lá mesmo quando excitados para estados de energia mais altos.

Realidade virtual sem defeitos ópticos

Os metamateriais podem encontrar aplicações úteis em outra área da tecnologia em desenvolvimento -. A realidade virtual tem muitas limitações diferentes. As imperfeições da óptica conhecidas por nós desempenham um papel significativo. É praticamente impossível construir um sistema óptico perfeito, porque sempre existem as chamadas aberrações, ou seja, distorção da onda causada por vários fatores. Estamos cientes de aberrações esféricas e cromáticas, astigmatismo, coma e muitos, muitos outros efeitos adversos da ótica. Qualquer um que tenha usado conjuntos de realidade virtual deve ter lidado com esses fenômenos. É impossível projetar ópticas de RV que sejam leves, produzam imagens de alta qualidade, não tenham arco-íris visível (aberrações cromáticas), forneçam um grande campo de visão e sejam baratas. Isso é simplesmente irreal.

É por isso que os fabricantes de equipamentos VR Oculus e HTC usam as chamadas lentes Fresnel. Isso permite obter um peso significativamente menor, eliminar aberrações cromáticas e obter um preço relativamente baixo (o material para a produção de tais lentes é barato). Infelizmente, os anéis refrativos causam w Lentes Fresnel uma queda significativa no contraste e a criação de um brilho centrífugo, que é especialmente perceptível onde a cena tem alto contraste (fundo preto).

No entanto, recentemente cientistas da Universidade de Harvard, liderados por Federico Capasso, conseguiram desenvolver lente fina e plana usando metamateriais. A camada de nanoestrutura no vidro é mais fina que um fio de cabelo humano (0,002 mm). Não só não tem as desvantagens típicas, mas também oferece uma qualidade de imagem muito melhor do que os sistemas ópticos caros.

A lente Capasso, diferentemente das lentes convexas típicas que dobram e dispersam a luz, altera as propriedades da onda de luz devido às estruturas microscópicas que se projetam da superfície, depositadas no vidro de quartzo. Cada uma dessas bordas refrata a luz de maneira diferente, mudando sua direção. Portanto, é importante distribuir adequadamente essa nanoestrutura (padrão) projetada por computador e produzida usando métodos semelhantes aos processadores de computador. Isso significa que esse tipo de lente pode ser produzido nas mesmas fábricas de antes, usando processos de fabricação conhecidos. O dióxido de titânio é usado para pulverização catódica.

Vale destacar outra solução inovadora de "meta-óptica". hiperlentes metamateriaisfeito na Universidade Americana de Buffalo. As primeiras versões de hiperlentes eram feitas de prata e um material dielétrico, mas funcionavam apenas em uma faixa muito estreita de comprimentos de onda. Os cientistas de Buffalo usaram um arranjo concêntrico de hastes de ouro em uma caixa termoplástica. Funciona na faixa de comprimento de onda da luz visível. Os pesquisadores ilustram o aumento de resolução resultante da nova solução usando um endoscópio médico como exemplo. Ele geralmente reconhece objetos de até 10 nanômetros e, depois de instalar hiperlentes, "cai" para 250 nanômetros. O projeto supera o problema da difração, fenômeno que reduz significativamente a resolução dos sistemas ópticos - em vez da distorção das ondas, elas são convertidas em ondas que podem ser gravadas em dispositivos ópticos subsequentes.

De acordo com uma publicação na Nature Communications, esse método pode ser usado em muitas áreas, desde a medicina até observações de moléculas únicas. É conveniente esperar por dispositivos concretos baseados em metamateriais. Talvez eles permitam que a realidade virtual alcance finalmente o sucesso real. Quanto aos "computadores ópticos", ainda são perspectivas bastante distantes e vagas. No entanto, nada pode ser descartado...