Ver lo invisible: diminutas películas de cristal podrían hacer de la visión nocturna una realidad cotidiana

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<span class="caption">Representación artística de la visión a través de las futuras gafas de visión nocturna.</span> <span class="attribution"><span class="source">Lei Xu / NTU</span>, <span class="license">Author provided</span></span>
Representación artística de la visión a través de las futuras gafas de visión nocturna. Lei Xu / NTU, Author provided

Es una visión familiar para cualquiera que haya visto muchas películas de acción o haya jugado a Call of Duty: una imagen verde fantasmal que hace visibles los objetos invisibles. Desde el desarrollo de los primeros dispositivos de visión nocturna a mediados de la década de 1960, la tecnología ha cautivado la imaginación popular.

Las gafas de visión nocturna, cámaras infrarrojas y otros dispositivos similares detectan la luz infrarroja reflejada por los objetos o bien detectan la luz infrarroja emitida por objetos en forma de calor. Hoy en día, estos dispositivos son ampliamente utilizados no solo por los militares, sino también por servicios de emergencia, industrias de seguridad y vigilancia, y campistas entusiastas.

Pero la tecnología actual no está exenta de problemas. Las cámaras infrarrojas bloquean la luz visible, obstaculizando la visión normal. El equipo es voluminoso y pesado, y requiere de bajas temperaturas –e incluso, en algunos casos, de enfriamiento criogénico– para funcionar.

Hemos propuesto una nueva tecnología que utiliza capas ultradelgadas de nanocristales para hacer visible la luz infrarroja, abordando muchos de los problemas que han existido por largo tiempo en los dispositivos actuales. Nuestra investigación has sido publicada en Advanced Photonics.

<span class="caption">Rocio Camacho Morales in el laboratorio de óptica.</span> <span class="attribution"><span class="source">Jamie Kidston / ANU</span>, <span class="license">Author provided</span></span>
Rocio Camacho Morales in el laboratorio de óptica. Jamie Kidston / ANU, Author provided

Nuestro objetivo final es producir una capa ligera, similar a una película delgada, que pueda colocarse sobre unas gafas u otras lentes, permitiendo a las personas ver en la oscuridad. Estas gafas de visión nocturna requerirían el uso de un pequeño láser, similar al que se encuentra en los punteros láser.

La detección de radiación infrarroja convencional

Las cámaras infrarrojas comerciales convierten la luz infrarroja a una señal eléctrica, que se muestra luego en una pantalla de visualización. Estas cámaras requieren de bajas temperaturas debido a las bajas energías y frecuencias de la luz infrarroja. Esto hace que los detectores infrarrojos sean voluminosos y pesados –algunos miembros del personal de seguridad han reportado lesiones crónicas de cuello debido al uso regular de gafas de visión nocturna.

Otra desventaja de la tecnología actual es que bloquea la transmisión de la luz visible, alterando por tanto la visión normal. En algunos casos, las imágenes infrarrojas pueden ser enviadas a una pantalla de visualización, dejando intacta la visión normal. Sin embargo, esta solución no es factible cuando los usuarios están en movimiento.

Alternativas totalmente ópticas

Hay también algunas alternativas que son totalmente ópticas, no involucran señales eléctricas. En cambio, convierten directamente la luz infrarroja en luz visible. La luz visible puede ser entonces capturada por el ojo o una cámara convencional.

Estas tecnologías funcionan al combinar la luz infrarroja ambiental con una fuente de luz intensa –un haz láser– dentro de un material conocido como “cristal no lineal”. El cristal emite luz en el espectro visible. Sin embargo, los cristales no lineales son grandes y costosos, y solo pueden detectar luz en una banda estrecha de frecuencias infrarrojas.

Las metasuperficies ofrecen la solución

Nuestro trabajo da un paso adelante en este enfoque totalmente óptico. En lugar de un cristal no lineal, nos propusimos utilizar capas de nanocristales cuidadosamente diseñadas, mejor conocidas como metasuperficies. Las metasuperficies son ultradelgadas y ultraligeras, y pueden ser modificadas para manipular el color o la frecuencia de luz que las atraviesa.

Esto hace de las metasuperficies una plataforma atractiva para hacer visibles los fotones infrarrojos. Es importante destacar que las metasuperficies transparentes podrían permitir obtener imágenes infrarrojas y posibilitar al mismo tiempo la visión normal.

Nuestro grupo se propuso demostrar la obtención de imágenes infrarrojas con metasuperficies. Diseñamos una metasuperficie compuesta por cientos de antenas de cristal increíblemente diminutas y hechas del semiconductor arseniuro de galio.

Esta metasuperficie fue diseñada para amplificar la luz por medio de una resonancia a ciertas frecuencias del infrarrojo, así como a la frecuencia del haz láser y la frecuencia visible de salida. Después, fabricamos la metasuperficie y la transferimos a un vidrio transparente, formando una capa de nanocristales sobre la superficie de vidrio.

<span class="caption">Imagen de microscopio electrónico de barrido muestra las estructuras de nanocristales que componen a la metasuperficie utilizada para hacer la luz infrarroja visible.</span> <span class="attribution"><span class="source">Mohsen Rahmani/ NTU</span>, <span class="license">Author provided</span></span>
Imagen de microscopio electrónico de barrido muestra las estructuras de nanocristales que componen a la metasuperficie utilizada para hacer la luz infrarroja visible. Mohsen Rahmani/ NTU, Author provided

Para probar nuestra metasuperficie, la iluminamos con imágenes infrarrojas de un objetivo y observamos cómo las imágenes infrarrojas fueron convertidas en imágenes verdes visibles. Lo probamos con varias posiciones del objetivo, y también sin ningún objetivo, observando de esta manera la emisión verde de la propia metasuperficie. En las imágenes obtenidas, las franjas oscuras corresponden al objetivo infrarrojo, rodeado por la emisión visible verde.

A pesar de que diferentes partes de las imágenes infrarrojas fueron convertidas por nanocristales independientes que componían la metasuperficie, las imágenes se reprodujeron bien en luz visible.

Si bien nuestro experimento es solo una prueba de concepto, esta tecnología puede, en principio, lograr varias cosas que no son posibles con los sistemas convencionales, como un ángulo de visión más amplio e imágenes infrarrojas de varios colores.

El futuro de las metasuperficies

La demanda de tecnologías de detección de luz infrarroja, invisible al ojo humano, crece constantemente, debido a una amplia variedad de aplicaciones más allá de la visión nocturna. Podría utilizarse en la industria agrícola para ayudar a monitorizar y mantener el control de calidad de los alimentos y en técnicas de detección remota como el lídar, una tecnología que está ayudando a mapear entornos naturales y artificiales.

En un contexto más amplio, el uso de metasuperficies para detectar, generar y manipular luz está en auge. Aprovechar el poder de las metasuperficies nos acercará a tecnologías como pantallas holográficas en tiempo real, visión artificial para sistemas autónomos y wifi ultrarrápido basado en luz.

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.

Rocio Camacho Morales desea agradecer el apoyo del Centro de Excelencia para Sistemas Meta-ópticos Transformativos (TMOS) del ARC y del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT).

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