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Diseño de materiales ópticos por software

Un nuevo software para diseño de materiales ópticos permite al usuario realizar el trabajo inverso. Es decir,  comenzar describiendo el resultado que desean y el software completa los pasos necesarios para llegar allí, como haría un arquitecto.

El enfoque de diseño moderno elimina las conjeturas de las tecnologías, todavía teóricas, de la ingeniería, como cámaras ultracompactas de alto rendimiento y armaduras de ocultación que podrían hacer que los usuarios sean invisibles para la detección.

Software de diseño de materiales ópticos
El software de diseño inverso Mirage proporciona a los usuarios una guía para fabricar materiales con propiedades ópticas avanzadas. Los desarrolladores Ihab El-Kady (izquierda) y Charles Reinke miran una pantalla de muestra de Mirage. (Fuente: Sandia)

Sandia utiliza la ayuda de diseño, llamada Mirage, en sus programas de investigación y desarrollo y lanzó una versión de prueba para seleccionar colaboradores el año pasado. Ahora, los investigadores que trabajan en proyectos de metamateriales gubernamentales pueden solicitar una licencia sin costo.

Los metamateriales ópticos artificiales han sido promocionados durante más de una década por su capacidad para manipular la luz de maneras extraordinarias.

Materiales ópticos para satélites y telescopios

En teoría, los satélites de imagen y los telescopios interestelares podrían ser dramáticamente más pequeños con lentes metamateriales cien veces más delgadas que las convencionales. O, la tecnología algún día podría conducir a materiales de camuflaje que desvían la luz a su alrededor, haciendo que los objetos sean imposibles de ver.

Mirage simplifica y automatiza el proceso de diseño de los materiales necesarios para hacer realidad tales tecnologías.

En este vídeo se muestra una vista previa de Mirage, software desarrollado por Sandia National Laboratories para hacer que la ingeniería óptica (relativamente) sea fácil.

Mirage elimina las conjeturas del diseño

El campo de los metamateriales ópticos hasta ahora ha tenido dificultades para cumplir con su promesa de revolucionar la óptica. Una dificultad para los ingenieros ha sido que los metamateriales están hechos de pequeños bloques de construcción, llamados metaátomos, que pueden diseñarse en innumerables variaciones. Una determinada forma, colectivamente, puede doblar la luz. Si se cambia esa forma, su tamaño, su espacio o su material, podría amplificar o disminuir el efecto; o provocar que ocurra algo completamente diferente, como girar la luz en una dirección u otra o cambiar su intensidad o color.

«Predecir cuáles serán las propiedades ‘homogeneizadas’ a granel ha sido muy difícil de determinar hasta ahora«, dijo Mike Fiddy, gerente de programas de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, que financió el desarrollo del software.

Otro software puede simular lo que los metaátomos harán a la luz, pero eso solo permite a los investigadores usar la intuición para experimentar con diferentes diseños hasta que consigan con mucha lentitud desarrollar el comportamiento que desean.

A pesar del desafío, algunos investigadores han creado con éxito dispositivos metamateriales imaginativos. Sandia inventó un dispositivo que convierte el calor en electricidad, potencialmente para motores más eficientes en consumo de combustible, así como una tecnología de mezcla de luz que podría conducir a una fuente de luz nueva, cambiante y multicolor. Dicha fuente podría acelerar todo tipo de investigación, desde la arqueología hasta la biomedicina.

Pero en general, dijo el científico de Sandia Ihab El-Kady, la creación de metamateriales ha necesitado un impulso.

«No podemos resolver este problema por prueba y error«, dijo Ihab, quien concibió Mirage. “En cambio, podríamos hacer lo contrario. Podríamos decir: ‘Aquí está el comportamiento que quiero. Ahora dime cómo se ve el metamaterial«.

Ninguna herramienta utilizó este enfoque de diseño inverso. Entonces, Ihab y su equipo en el Centro de Fotónica de Seguridad Nacional de Sandia construyeron uno.

Software con instrucciones fáciles de usar para explotar más de 100 plantillas

Mirage permite a los usuarios comenzar diciéndole al software la propiedad óptica que desean, cómo sus metamateriales deben interactuar con la luz y sus materiales de partida. Mirage genera diseños que coinciden con esos criterios de una biblioteca de más de 100 plantillas. O bien, los usuarios pueden dibujar sus propios diseños, y el programa los verificará en busca de errores.

«Un enfoque más sistemático para diseñar metamateriales debería acelerar en gran medida su adopción en diversas áreas de aplicación, eliminando los enfoques basados ​​en la intuición más comúnmente utilizados”, dijo Fiddy.

DARPA presentó a Mirage como una tecnología de primer nivel en el Simposio del 60 Aniversario de la agencia en Fort Washington, Maryland, mostrando sus usos de largo alcance.

«Mirage es una herramienta todo en uno«, dijo Ihab. «No solo le dice cómo se ve el metamaterial, sino que le permite explorar varias configuraciones, simular el sistema, validar el comportamiento elegido, visualizar su respuesta y optimizar su funcionalidad dentro de sus limitaciones de fabricación«.

El software refina ideas poderosas

Además de eso, Mirage es útil porque incluye algoritmos que ayudan a los investigadores a obtener el mejor rendimiento de sus inventos, dijo el científico senior de Sandia, Igal Brener, quien usa el software en su investigación de metamateriales.

El equipo de Igal creó previamente un material que puede mezclar dos láseres para producir 11 colores a la vez, incluyendo luz infrarroja y ultravioleta. La tecnología podría desarrollarse en láseres sintonizables que reemplacen a los de un solo color.

Pero algunos de esos colores son demasiado tenues para ser útiles, por lo que está explorando formas de aclarar el resultado. Otros paquetes de software que ha utilizado Igal incluyen algoritmos de optimización simples. Sin embargo, para utilizar algoritmos más avanzados, debe complementar esos paquetes con su propia codificación. No es así con Mirage.

«Las técnicas de optimización vienen en muchos sabores diferentes«, dijo. «Mirage es el único paquete de software que conozco que tiene las complejas técnicas de optimización que necesito integradas«.

Si el lanzamiento inicial es exitoso, Sandia planea desarrollar una segunda versión de Mirage, llamada Mirage Elite, que introduciría un avance en la optimización al transformar automáticamente meta-átomos en formas extrañas y extravagantes en la búsqueda de comportamientos no descubiertos.

Fuente: Sandia