El chip del MIT que convierte luz invisible en información

Un equipo del Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT) desarrolló un chip capaz de controlar luz infrarroja en la banda media y convertirla en una lente ajustable que puede mejorar la detección de gases, calor y compuestos químicos, con una arquitectura que además apunta a llevar estas funciones a cámaras más compactas y a una fabricación a escala industrial, informó MIT News, el propio portal de noticias del instituto.

El dispositivo permite que cada píxel microscópico de la lente actúe de forma independiente, algo que abre la puerta a captar señales distintas sin recurrir a partes móviles.

El avance, publicado en la revista científica Nature Communications, apunta a resolver una limitación persistente de los sistemas infrarrojos avanzados, que hoy suelen ser costosos y voluminosos. Las cámaras de este tipo ya se usan para detectar fugas de gas en tuberías, sustancias químicas en la atmósfera o pérdidas de calor en edificios, pero la manipulación sofisticada de esa luz todavía depende de equipos grandes.

Cosmin-Constantin Popescu, primer autor del estudio y doctorado del MIT, indicó que la tecnología podría aportar más información tanto en observación espacial como en monitoreo ambiental de compuestos específicos presentes en la atmósfera. También señaló aplicaciones en imagen térmica y en usos militares asociados a visión nocturna.

El autor explicó que muchas moléculas orgánicas absorben en el rango del infrarrojo medio. Por eso, sostuvo, el sistema podría utilizarse para detectarlas.

Control independiente por píxel, sin cables extra

En los últimos años, los investigadores desarrollaron métodos para controlar la luz mediante patrones diminutos grabados sobre materiales transparentes conocidos como metasuperficies. Ese campo busca crear cámaras programables más compactas y otros dispositivos ópticos avanzados.

El grupo de investigación de Juejun Hu —coautor del estudio— en el MIT ya había trabajado con una clase de metasuperficies que pasan de sólido a líquido cuando reciben calor. Esos cambios de fase modifican la interacción del material con la luz.

En 2021, habían creado una lente en miniatura que ajustaba el foco a distintas profundidades mediante ese mecanismo. El dispositivo funcionaba de manera confiable, pero solo podía cambiar el enfoque de toda la superficie al mismo tiempo.

Para el nuevo estudio, el objetivo fue avanzar hacia un control independiente en cada píxel microscópico. Hu explicó que muchas metasuperficies activas que intentan ese ajuste requieren cables conectados a cada píxel, y que el tendido de esos cables se vuelve un problema central.

El investigador añadió que, hasta ahora, la mejor solución había sido un control unidimensional con múltiples cables.

El nuevo dispositivo buscó superar ese límite y operar además en la región del infrarrojo medio, útil para detectar firmas térmicas y moléculas como metano y propano. Ese rango de luz no es visible para el ojo humano, pero ya se utiliza para hallar fugas de gas, estudiar la atmósfera terrestre y cubrir aplicaciones de defensa y del sector aeroespacial.

Una matriz de seis por seis bajo prueba

Para construir el sistema, los investigadores adaptaron una técnica habitual en pantallas: dos capas de cables de cobre ordenados de manera perpendicular una sobre otra. Debajo de esos cables colocaron una capa de silicio dopado que genera calor en los puntos de cruce y se ubica encima del material de cambio de fase.

Ese calor permite alternar cada píxel entre estructuras cristalinas y amorfas, lo que modifica la forma en que el material interactúa con la luz infrarroja incidente. El silicio también incorpora un selector por diodo, pensado para impedir que corrientes no deseadas se filtren hacia píxeles vecinos.

Hu afirmó que sus cálculos mostraron que esta arquitectura podría escalar hasta potencialmente millones de píxeles sin sufrir problemas por corrientes involuntarias. Identificó como innovación central a la arquitectura de barras cruzadas, que ofrece una vía escalable para aumentar la conmutación de metasuperficies a nivel de píxel.

El investigador aclaró que esa arquitectura no fue inventada por su equipo, ya que se usa en pantallas, pero sí sostuvo que es la primera vez que se aplica a metasuperficies activas de cambio de fase para demostrar control a nivel de píxel en dos dimensiones. Y añadió que ese objetivo llevaba mucho tiempo en desarrollo dentro del área.

Los investigadores trabajaron con equipamiento del centro de nanofabricación MIT.nano y con una fábrica de chips semiconductores. El resultado fue un sistema bidimensional con una matriz de seis por seis píxeles de metasuperficie.

Tras las pruebas, el equipo observó que el sistema podía encenderse y apagarse de forma confiable. Popescu dijo que la arquitectura de malla mostró una alta resistencia y remarcó que estos materiales deben poder cambiar una gran cantidad de veces, quizá decenas de miles o más, sin dejar de funcionar.

Más píxeles y fabricación a escala, los próximos pasos

De acuerdo con el portal, los investigadores consideran que la integración parcial del diseño en procesos de fabricación de semiconductores puede facilitar el paso desde el prototipo de laboratorio hacia una producción más amplia. Hu sostuvo que, para escalar, hace falta un proceso consistente y por eso la manufactura en fundiciones de chips resulta decisiva.

También indicó que trabajar con una fundición de semiconductores con control de proceso permite incorporar cada componente dentro de una sola secuencia de fabricación eficiente. El equipo trabaja ahora en sumar más píxeles a la matriz y en desarrollar versiones más robustas que puedan capturar una mayor cantidad de información infrarroja.

El investigador explicó que, en muchos casos, al tomar imágenes ya existe información previa sobre lo que se intenta encontrar. Mencionó como ejemplos la búsqueda de una persona en una habitación oscura o de rasgos específicos dentro de una imagen, como un árbol, y planteó que esa información previa permitiría configurar el sistema para resaltar exactamente esas características.

Además señaló que otros trabajos ya utilizaron metasuperficies para emular redes neuronales computacionales, base de sistemas de inteligencia artificial, aunque aclaró que esas aplicaciones podrían tardar más en consolidarse.

Según su descripción, este desarrollo podría habilitar formas más eficaces de computación óptica, en las que las metasuperficies codifican los parámetros de aprendizaje de redes neuronales, conocidos como pesos, y la luz, al atravesar el material, transporta información que permite inferir resultados computacionales.

El trabajo contó con apoyo parcial de la Fuerza Aérea de Estados Unidos, la Fundación Nacional de Ciencia de Estados Unidos, la Fundación Nacional de Investigación de Corea y el programa el programas de becas Draper Scholar