Pesquisadores do Advanced Science Research Center no CUNY Graduate Center (CUNY ASRC) demonstraram experimentalmente que as metassuperfícies (materiais bidimensionais estruturados na nanoescala) podem controlar precisamente as propriedades ópticas da radiação térmica gerada dentro da própria metassuperfície. Este trabalho pioneiro, publicado na Nature Nanotechnology, abre caminho para a criação de fontes de luz personalizadas com capacidades sem precedentes, impactando uma ampla gama de aplicações científicas e tecnológicas.

Radiação térmica — uma forma de ondas eletromagnéticas geradas por flutuações aleatórias na matéria causadas pelo calor — é inerentemente de banda larga por natureza, consistindo de muitas cores. Um bom exemplo é a luz emitida por uma lâmpada incandescente. Ela também não é polarizada e se espalha em todas as direções devido à sua aleatoriedade. Essas características geralmente limitam sua utilidade em aplicações que exigem propriedades de luz bem definidas. Em contraste, a luz laser, conhecida por sua frequência, polarização e direção de propagação definidas, é bem definida, o que a torna inestimável para muitas aplicações importantes da sociedade moderna.

Metasurfaces oferecem uma solução para maior utilidade ao controlar ondas eletromagnéticas por meio de formas meticulosamente projetadas de nanopilares que são dispostas em suas superfícies. Ao variar essas estruturas, os pesquisadores podem obter controle sobre a dispersão de luz, efetivamente "moldando" a luz de maneiras personalizáveis. Até agora, no entanto, as metasurfaces foram desenvolvidas apenas para controlar fontes de luz laser e exigem configurações de excitação volumosas e caras.

"Nosso objetivo final é habilitar a tecnologia de metassuperfície que não requer fontes de laser externas, mas pode fornecer controle preciso sobre a maneira como sua própria radiação térmica é emitida e se propaga", disse um dos principais autores do artigo, Adam Overvig, ex-pesquisador de pós-doutorado na Photonics Initiative da CUNY ASRC e atualmente professor assistente no Stevens Institute of Technology. "Nosso trabalho é um passo importante nessa busca, fornecendo a base para uma nova classe de metassuperfícies que não requerem fontes de laser externas, mas são alimentadas por oscilações internas incoerentes de matéria impulsionadas pelo calor."

A equipe de pesquisa havia publicado anteriormente um trabalho teórico mostrando que uma metassuperfície adequadamente projetada poderia moldar a radiação térmica que gera, transmitindo características desejáveis, como frequências definidas, polarização personalizada e até mesmo um formato de frente de onda desejado capaz de criar um holograma. Este estudo previu que, diferentemente das metassuperfícies convencionais, uma metassuperfície adequadamente projetada poderia produzir e controlar sua própria radiação térmica de novas maneiras.

Na presente descoberta, a equipe se propôs a validar experimentalmente essas previsões e desenvolver suas novas funcionalidades. A metasuperfície foi alcançada simplificando a arquitetura do dispositivo previamente imaginada, elegante, mas desafiadora de realizar, para uma única camada estruturada com um padrão 2D. Este design simplificado facilita a fabricação e a implementação prática.

Embora a radiação térmica convencional seja não polarizada, um foco significativo da pesquisa foi habilitar a radiação térmica com luz polarizada circularmente, onde o campo elétrico oscila de forma rotativa. Trabalhos recentes mostraram que polarizações circulares opostas (rotativas respectivamente com características destras e canhotas) poderiam ser divididas em direções opostas, mas parecia haver um limite fundamental para controlar ainda mais a polarização da luz emitida.

O novo design da equipe transcende essa limitação, permitindo emissão assimétrica de polarização circular em uma única direção, demonstrando controle total sobre a emissão térmica.

"Fontes de luz personalizadas são integrais a uma série de campos científicos e tecnológicos", disse Andrea Alù, distinto professor e Einstein Professor of Physics no The City University of New York Graduate Center e diretor fundador da CUNY ASRC Photonics Initiative. "A capacidade de criar fontes compactas e leves com características espectrais, de polarização e espaciais desejadas é particularmente atraente para aplicações que exigem portabilidade, como tecnologia baseada no espaço, pesquisa de campo em geologia e biologia e operações militares. Este trabalho representa um passo significativo para concretizar essas capacidades."

A equipe observou que os princípios aplicados em seu trabalho atual podem ser estendidos aos diodos emissores de luz (LEDs), com o potencial de aprimorar outra fonte de luz muito comum e barata, mas notoriamente difícil de controlar.

Olhando para o futuro, a equipe de pesquisa visa combinar esses blocos de construção para atingir padrões de emissão térmica mais complexos, como focar a emissão térmica em um ponto específico acima do dispositivo ou criar um holograma térmico. Esses avanços podem revolucionar o design e a funcionalidade de fontes de luz personalizadas.