Investigadores demuestran metasuperficies que controlan la radiación térmica de formas sin precedentes

Los investigadores del Centro de Investigación Científica Avanzada del Centro de Posgrado de la Universidad de la Ciudad de Nueva York (CUNY ASRC) han demostrado experimentalmente que las metasuperficies (materiales bidimensionales estructurados a escala nanométrica) pueden controlar con precisión las propiedades ópticas de la radiación térmica generada dentro de la propia metasuperficie. Este trabajo pionero, publicado en Nanotecnología de la naturalezaabre 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 provocadas por el calor) es inherentemente de banda ancha y consta de muchos colores. Un buen ejemplo es la luz emitida por una bombilla incandescente. Además, no está polarizada y se propaga en todas direcciones debido a su aleatoriedad. Estas características suelen limitar su utilidad en aplicaciones que requieren propiedades de luz bien definidas. En cambio, la luz láser, conocida por su frecuencia, polarización y dirección de propagación definidas, está bien definida, lo que la hace invaluable para muchas aplicaciones clave de la sociedad moderna.

Las metasuperficies ofrecen una solución para una mayor utilidad al controlar las ondas electromagnéticas mediante formas de nanopilares meticulosamente diseñados que se disponen en sus superficies. Al variar estas estructuras, los investigadores pueden lograr el control sobre la dispersión de la luz, «modelando» eficazmente la luz de maneras personalizables. Sin embargo, hasta ahora, las metasuperficies solo se han desarrollado para controlar fuentes de luz láser y requieren configuraciones de excitación voluminosas y costosas.

«Nuestro objetivo final es hacer posible una tecnología de metasuperficies que no requiera fuentes láser externas, pero que pueda proporcionar un control preciso sobre la forma en que se emite y se propaga su propia radiación térmica», dijo uno de los autores principales del artículo, Adam Overvig, ex investigador postdoctoral en la Iniciativa de Fotónica del CUNY ASRC y actualmente profesor adjunto en el Instituto de Tecnología Stevens. «Nuestro trabajo es un paso importante en esta búsqueda, proporcionando la base para una nueva clase de metasuperficies que no requieren fuentes láser externas, sino que se alimentan de oscilaciones internas incoherentes de materia impulsadas por el calor».

Control sin precedentes sobre la radiación térmica

El equipo de investigación tenía publicado previamente Trabajo teórico que muestra que una metasuperficie diseñada adecuadamente podría dar forma a la radiación térmica que genera, impartiendo características deseables como frecuencias definidas, polarización personalizada e incluso una forma de frente de onda deseada capaz de crear un holograma. Este estudio predijo que, a diferencia de las metasuperficies convencionales, una metasuperficie diseñada adecuadamente podría producir y controlar su propia radiación térmica de formas novedosas.

En este avance, el equipo se propuso validar experimentalmente estas predicciones y desarrollar nuevas funcionalidades. La metasuperficie se logró simplificando la arquitectura del dispositivo previamente imaginada, elegante pero difícil de implementar, a una sola 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, un objetivo importante de la investigación fue permitir la radiación térmica con luz polarizada circularmente, donde el campo eléctrico oscila de manera rotatoria. Trabajos recientes habían demostrado que las polarizaciones circulares opuestas (que rotan respectivamente con características levógiras y dextrógiras) podían dividirse en direcciones opuestas, pero parecía haber un límite fundamental para controlar aún más la polarización de la luz emitida.

El nuevo diseño del equipo trasciende esta limitación, permitiendo la emisión asimétrica de polarización circular hacia una sola dirección, demostrando un control total sobre la emisión térmica.

«Las fuentes de luz personalizadas son fundamentales para diversos campos científicos y tecnológicos», afirmó Andrea Alù, profesor distinguido y profesor de Física Einstein en el Centro de Posgrado de la Universidad de la Ciudad de Nueva York y director fundador de la Iniciativa de Fotónica del CUNY ASRC. «La capacidad de crear fuentes compactas y ligeras con las características espectrales, de polarización y espaciales deseadas es particularmente atractiva 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 significativo hacia la realización de estas capacidades».

El equipo señaló que los principios aplicados en su trabajo actual pueden extenderse a los diodos emisores de luz (LED), con el potencial de mejorar otra fuente de luz muy común y barata que es notoriamente difícil de controlar.

De cara al futuro, el equipo de investigación pretende combinar estos elementos básicos para lograr patrones de emisión térmica más complejos, como concentrar la emisión térmica en un punto específico por encima del dispositivo o crear un holograma térmico. Estos avances podrían revolucionar el diseño y la funcionalidad de las fuentes de luz personalizadas.