Las metasuperficies compactas y livianas, que utilizan nanoestructuras diseñadas y modeladas específicamente en una superficie plana para enfocar, dar forma y controlar la luz, son una tecnología prometedora para aplicaciones portátiles, especialmente sistemas de realidad virtual y aumentada. Hoy en día, los equipos de investigación diseñan minuciosamente el patrón específico de nanoestructuras en la superficie para lograr la función deseada de la lente, ya sea resolver características a nanoescala, producir simultáneamente varias imágenes de percepción de profundidad o enfocar la luz independientemente de la polarización.
Si las metalens se van a utilizar comercialmente en sistemas AR y VR, será necesario ampliarlas significativamente, lo que significa que la cantidad de nanopilares será de miles de millones. ¿Cómo pueden los investigadores diseñar algo tan complejo? Ahí es donde entra la inteligencia artificial.
En un artículo reciente, publicado en Comunicaciones de la naturalezaun equipo de investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS) y el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) describió un nuevo método para diseñar metasuperficies a gran escala que utiliza técnicas de inteligencia artificial para generar diseños automáticamente. .
«Este artículo sienta las bases y el enfoque de diseño que puede influir en muchos dispositivos del mundo real», dijo Federico Capasso, profesor de Física Aplicada de Robert L. Wallace y Vinton Hayes Senior Research Fellow en Ingeniería Eléctrica en SEAS y autor principal del artículo. «Nuestros métodos permitirán nuevos diseños de metasuperficies que pueden tener un impacto en la realidad virtual o aumentada, los automóviles autónomos y la visión artificial para sistemas embarcados y satélites».
Hasta ahora, los investigadores necesitaban años de conocimiento y experiencia en el campo para diseñar una metasuperficie.
«Nos hemos guiado por un diseño basado en la intuición, confiando en gran medida en la formación física de uno, que se ha visto limitada en la cantidad de parámetros que se pueden considerar simultáneamente, limitados como estamos por la capacidad de la memoria de trabajo humana», dijo Zhaoyi Li, investigador asociado de SEAS y coautor principal del artículo.
Para superar esas limitaciones, el equipo le enseñó a un programa de computadora la física del diseño de metasuperficies. El programa utiliza la base de la física para generar diseños de metasuperficies automáticamente, diseñando de millones a miles de millones de parámetros simultáneamente.
Este es un proceso de diseño inverso, lo que significa que los investigadores comienzan con una función deseada de los metalens, como una lente que puede corregir la aberración cromática, y el programa encuentra las mejores geometrías de diseño para lograr ese objetivo utilizando sus algoritmos computacionales.
«Dejar que una computadora tome una decisión es inherentemente aterrador, pero hemos demostrado que nuestro programa puede actuar como una brújula, señalando el camino hacia el diseño óptimo», dijo Raphaël Pestourie, asociado postdoctoral en el MIT y coautor principal del artículo. «Además, todo el proceso de diseño lleva menos de un día usando una computadora portátil de una sola CPU, en comparación con el enfoque anterior, que tomaría meses para simular una sola metasuperficie de 1 cm de diámetro que funciona en el espectro de luz visible».
«Este es un aumento de órdenes de magnitud en la escala del diseño inverso para dispositivos fotónicos nanoestructurados, generando dispositivos de decenas de miles de longitudes de onda de diámetro en comparación con cientos en trabajos anteriores, y abre nuevas clases de aplicaciones para el descubrimiento computacional». dijo Steven G. Johnson, profesor de Matemáticas Aplicadas y Física en el MIT y coautor del artículo.
Basándose en el nuevo enfoque, el equipo de investigación diseña y fabrica un metaocular acromático RGB, insensible a la polarización y escala centimétrica para una plataforma de realidad virtual (VR).
«Nuestra plataforma de realidad virtual presentada se basa en un metaocular y una micro-LCD retroiluminada por láser, que ofrece muchas características deseables, que incluyen compacidad, peso ligero, alta resolución, amplia gama de colores y más», dijo Li. «Creemos que la metasuperficie, una forma de óptica plana, abre un nuevo camino para remodelar el futuro de la realidad virtual».
La investigación es coautora de Joon-Suh Park y Yao-Wei Huang. Fue apoyado en parte por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (subvención n.º HR00111810001) y AFOSR (subvención n.º FA9550-21-1-0312). Este trabajo se realizó en parte en el Center for Nanoscale System (CNS), miembro de la Infraestructura Nacional Coordinada de Nanotecnología (NNCI), que cuenta con el apoyo de la National Science Foundation bajo el premio NSF no. 1541959
