Uma nova tecnologia desenvolvida no Caltech permite aos investigadores “conceber” dispositivos ópticos e depois imprimi-los utilizando uma impressora 3D especial. Estes dispositivos são feitos dos chamados metamateriais ópticos, que derivam as suas propriedades de estruturas tão pequenas que são medidas em nanómetros, e poderão permitir que câmaras e sensores detectem e manipulem as propriedades da luz de formas que anteriormente eram impossíveis em pequena escala.
“Geralmente, a maior parte destas coisas é feita numa camada fina de material. Pega-se num pedaço muito fino de silício ou de outro material e processa-se para obter o dispositivo”, afirma. “No entanto, [the field of] a ótica vive num espaço tridimensional. O que estamos a tentar investigar aqui é o que é possível se fizermos estruturas tridimensionais mais pequenas do que o comprimento de onda da luz que estamos a tentar controlar”.
Para o demonstrar, o laboratório de Faraon desenvolveu dispositivos minúsculos que classificam a luz infravermelha recebida tanto pelo comprimento de onda como pela polarização. Os investigadores esperam desenvolver dispositivos semelhantes para a gama de luz visível e para utilização em câmaras e espaços de RV.
Os dispositivos têm uma estrutura orgânica e caótica que é conseguida através da otimização constante do design utilizando um algoritmo. Gregory Roberts, autor principal do estudo, compara o processo à criação de um bom cão pastor.
“O software de conceção é, na sua essência, um processo iterativo”, diz Roberts. “Tem a possibilidade de escolher, em cada passo da otimização, a forma de modificar o dispositivo. Depois de fazer uma pequena alteração, descobre como fazer outra pequena alteração e, no final, acabamos com esta estrutura de aspeto estranho que tem um elevado desempenho na função-alvo que definimos no início”.
Faraon acrescenta: Faraon acrescenta: “Na verdade, não temos uma compreensão racional destas concepções, no sentido em que se trata de concepções produzidas através de um algoritmo de otimização. Assim, obtém-se estas formas que desempenham uma determinada função. Por exemplo, se quiser focar a luz num ponto – basicamente o que uma lente faz – e executar a nossa simulação para essa função, o mais provável é obter algo muito semelhante a uma lente. No entanto, as funções que pretendemos – dividir comprimentos de onda num determinado padrão – são bastante complicadas. É por isso que as formas que obtemos não são muito intuitivas”.
Para traduzir os desenhos em dispositivos físicos, os investigadores utilizaram a litografia de polimerização de dois fótons (TPP), uma forma de impressão 3D que cura seletivamente uma resina líquida com lasers.
Faraon afirma que o trabalho é uma prova de conceito, mas que, com um pouco mais de investigação, poderá ser desenvolvido um processo de fabrico prático.
O trabalho, intitulado “3D-patterned inverse-designed mid-infrared metaoptics”, foi publicado na edição de 14 de abril da revista Nature Communications. Outros co-autores incluem Conner Ballew, anteriormente no Caltech e atualmente no JPL, que o Caltech gere para a NASA; Tianzhe Zheng, um candidato a doutoramento em física aplicada; Sarah Camayd-Muñoz, anteriormente no Caltech e atualmente na Universidade Johns Hopkins; e Juan C. Garcia e Philip W. C. Hon da Northrop Grumman.
A investigação foi financiada pela Agência de Projectos de Investigação Avançada da Defesa (DARPA), pela Iniciativa de Inovação Rothenberg, pelo Fundo de Inovação Clinard no Caltech e pelo Gabinete de Investigação do Exército.