Las cámaras infrarrojas pueden revelar información que permanece completamente oculta para nuestros ojos. Son capaces de localizar el calor que escapa de un edificio, detectar gases liberados por una tubería o identificar determinados compuestos químicos en la atmósfera. El problema es que los sistemas más avanzados suelen necesitar componentes ópticos grandes, costosos y difíciles de transportar.
Un equipo del Instituto Tecnológico de Massachusetts desarrolló un chip que podría reducir gran parte de ese equipamiento. El dispositivo controla dinámicamente la luz del infrarrojo medio y funciona como una superficie óptica ajustable, formada por diminutos píxeles que pueden modificarse de manera independiente. El trabajo fue publicado en Nature Communications.
Una lente que cambia sin moverse
El avance pertenece al campo de las metasuperficies, materiales planos sobre los que se fabrican patrones mucho más pequeños que el grosor de un cabello. Esas estructuras modifican la manera en que la luz atraviesa o rebota sobre el material, permitiendo construir componentes ópticos más delgados que las lentes tradicionales.
El equipo del MIT ya había creado una lente microscópica cuyo enfoque podía modificarse mediante cambios de temperatura. Sin embargo, toda su superficie cambiaba al mismo tiempo. El nuevo dispositivo permite controlar cada zona de manera independiente, como sucede con los píxeles de una pantalla, pero actuando sobre luz infrarroja en lugar de producir imágenes visibles.
Esta capacidad permitiría configurar una cámara para destacar señales concretas. Por ejemplo, el sistema podría ajustarse para buscar la firma infrarroja de una persona en una habitación oscura, identificar una fuga de metano o distinguir determinados compuestos dentro de la atmósfera.
El secreto está en una malla de cables cruzados
El principal obstáculo para controlar cada píxel era el cableado. Los diseños anteriores necesitaban conexiones individuales, una solución difícil de ampliar cuando una superficie contiene miles o millones de puntos.
Los investigadores adaptaron una arquitectura utilizada habitualmente en pantallas y circuitos de memoria. Colocaron dos capas de conductores de cobre en direcciones perpendiculares, formando una cuadrícula. Al activar una fila y una columna determinadas, el sistema puede seleccionar únicamente el píxel situado en su intersección.
Debajo de esa malla se encuentra una capa de silicio dopado que genera calor y un material capaz de cambiar entre estados cristalinos y amorfos. Cada transformación modifica la cantidad de luz infrarroja que atraviesa el píxel. El diseño también incorpora diodos selectores que evitan que la corriente eléctrica se filtre accidentalmente hacia los puntos vecinos.
El resultado es un modulador espacial de luz: un dispositivo que no convierte por sí solo la radiación infrarroja en una fotografía, sino que la filtra y controla antes de que llegue al detector. Según el artículo científico, se trata del primer modulador transmisivo de infrarrojo medio basado en esta clase de metasuperficie con direccionamiento eléctrico bidimensional a nivel de píxel.
El prototipo todavía tiene solo 36 píxeles
Para demostrar el funcionamiento de la tecnología, el equipo fabricó una matriz de seis por seis píxeles. Las pruebas mostraron que cada uno podía activarse y desactivarse de manera confiable y que la estructura toleraba múltiples ciclos de funcionamiento. Los investigadores consideran que la arquitectura podría escalar potencialmente hasta millones de píxeles sin sufrir problemas graves por corrientes eléctricas no deseadas.
Una parte del dispositivo fue fabricada mediante procesos convencionales de una planta de semiconductores y con instalaciones de MIT.nano. Esta compatibilidad resulta importante porque podría facilitar su futura producción industrial, aunque el prototipo todavía está lejos de convertirse en una cámara comercial.
El equipo trabaja ahora en aumentar la cantidad de píxeles, mejorar la resistencia del sistema y conseguir que capture más información infrarroja. Entre sus posibles aplicaciones se encuentran la imagen térmica, la detección de metano y propano, la vigilancia ambiental, la exploración espacial y determinados sistemas aeroespaciales y de defensa.
A más largo plazo, estas metasuperficies también podrían utilizarse para computación óptica. En lugar de procesar toda la información mediante electrones dentro de un chip convencional, la luz atravesaría una superficie programada para realizar parte de los cálculos. El avance todavía es experimental, pero muestra cómo una lente plana del tamaño de un chip podría convertir señales invisibles en información mucho más fácil de detectar y analizar.
