Investigadores del MIT logran controlar la dirección de reflexión de la luz

Foto: Weishun Xu/Yuhao Zhang

Las ondas de luz pueden ser definidas por tres características fundamentales: su color (o longitud de onda), la polarización y su dirección. Mientras que ha sido posible durante mucho tiempo filtrar selectivamente la luz de acuerdo a su color o polarización, la selectividad basada en la dirección de propagación ha sido difícil de alcanzar.

Pero ahora, por primera vez, los investigadores del MIT han creado un sistema que permite que la luz de cualquier color pase a través de algo solamente si viene de un ángulo específico, la técnica refleja toda la luz que proviene de otras direcciones. Este nuevo enfoque podría en última instancia conducir a avances en la energía solar fotovoltaica, detectores para telescopios y microscopios, y filtros de privacidad para pantallas de visualización.

El trabajo se describe en un artículo que aparece esta semana en la revista Science, escrito por el estudiante graduado del MIT Yichen Shen, el profesor de física Marin Soljačić, y otras cuatro personas. “Estamos muy entusiasmados con esto, porque es un bloque fundamental para la construcción de nuestra capacidad de controlar la luz.” dice Soljačić.

La nueva estructura consta de una pila de capas ultradelgadas de dos materiales alternantes en el que el espesor de cada capa está controlada con precisión. ”Cuando tienes dos materiales, por lo general, en la interfaz entre ellos tendrás algunas reflexiones”, explica Soljačić. Pero en estas interfaces, “hay un ángulo “mágico” llamado ángulo de Brewster, y cuando entra en exactamente el ángulo y la polarización apropiada, no hay reflexión en absoluto.”

Mientras que la cantidad de luz reflejada en cada una de estas interfaces es pequeña, mediante la combinación de varias capas con las mismas propiedades, la mayor parte de la luz se puede reflejar a distancia -a excepción de la que entra precisamente en el ángulo y polarización correcto.

El uso de una pila de aproximadamente 80 capas alternas de espesor preciso, dice Shen: “Nos ha hecho ser capaces de reflejar la luz en la mayoría de los ángulos, a través de una banda muy amplia colores. Todo el rango visible de frecuencias”

Trabajos anteriores habían demostrado maneras de reflejar selectivamente la luz excepto por un ángulo preciso, pero esos enfoques se limitaban a una estrecha gama de colores. La amplitud del nuevo sistema podría abrir muchas aplicaciones potenciales, dice el equipo.

Shen dice, “Esto podría tener grandes aplicaciones en energía, y especialmente en paneles termovoltáicos solares” -el aprovechamiento de la energía solar, al usarla para calentar un material, que a su vez irradia la luz de un color particular. Esa emisión de luz puede ser aprovechada mediante una célula fotovoltaica sintonizada para aprovechar al máximo ese color de la luz. Pero para que esto funcione, es esencial limitar el calor y la luz perdida por reflejos, y la re-emisión, por lo que la capacidad de controlar de forma selectiva estas reflexiones podría mejorar la eficiencia.

Los resultados también podrían ser útiles en sistemas ópticos, como microscopios y telescopios, para ver objetos tenues que están cerca de objetos más brillantes -por ejemplo, un tenue planeta junto a una estrella brillante. Mediante el uso de un sistema que recibe la luz sólo desde cierto ángulo, estos dispositivos podrían tener una mayor capacidad para detectar objetos débiles. El filtrado también se podría aplicar a las pantallas de visualización en teléfonos u ordenadores, por lo que sólo los que se muestra desde justo enfrente podría ser visto.

En principio, la selectividad angular Puede estrecharse simplemente añadiendo más capas a la pila, dicen los investigadores. Para los experimentos llevados a cabo hasta el momento, el ángulo de selectividad era de unos 10 grados, aproximadamente al 90 por ciento de la luz que entra dentro de ese ángulo se le permitió pasar a través.

Aunque estos experimentos se realizaron utilizando capas de vidrio y óxido de tántalo, Shen dice que, en principio, podrían utilizarse dos materiales con diferentes índices de refracción.

John Pendry, profesor en el Imperial College de Londres, que no haya accedido a esta investigación, denomina este trabajo como una “ingeniosa aplicación.”

“En una escala macroscópica esto es equivalente a observar el mundo a través de un conjunto de lamas … que permitieran la entrada de luz a partir de una sola dirección”, dice Pendry. ”Sin embargo, el nuevo dispositivo es infinitamente más refinado, y opera como lo hace en la escala de longitud de una longitud de onda.”

El equipo también incluyó al científico investigador del MIT Ivan Celanovic; al profesor asociado de matemáticas Steven Johnson, John Joannopoulos del Francis Wright Davis Profferor of Physics, y Dexin Ye de la Universidad de Zhejiang en China. El trabajo fue apoyado en parte por la Oficina de Investigación del Ejército, a través del Instituto de MIT de Nanotecnologías Militar, y el Departamento de Energía de los EE.UU., a través de la Investigación de la Energía de la Frontera Centro MIT S3TEC.

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