Sensor inteligente detecta todas as propriedades de um raio de luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 13/09/2022

Renderização artística da detecção inteligente pelo metamaterial moiré: As propriedades geométricas do metamaterial determinam como ele responde a uma onda de luz recebida; as propriedades fundamentais da onda são então interpretadas por uma rede neural.
[Imagem: Fengnian Xia/Yale University]

Multissensor óptico

Físicos inventaram um sensor capaz de medir de uma só vez todas as propriedades de um feixe de luz.

Sem contar os experimentos científicos, existem inúmeras tecnologias fotônicas, das câmeras digitais aos lasers, que dependem da medição das características da luz.

"Nós estamos entusiasmados com este trabalho porque, normalmente, quando você quer caracterizar uma onda de luz, você tem que usar diferentes instrumentos para coletar informações, como intensidade, comprimento de onda e estado de polarização da luz. Esses instrumentos são volumosos e podem ocupar uma área significativa em uma mesa óptica," disse o professor Fan Zhang, da Universidade do Texas em Dallas, nos EUA.

Agora eles conseguiram não apenas colocar todos os sensores em um único dispositivo, como também o condensaram em um componente do tamanho de um chip.

Contudo, embora esse chip faça a leitura das informações, é preciso contar com um programa de inteligência artificial para interpretar as leituras.

"Nós começamos com uma luz para a qual conhecíamos a intensidade, comprimento de onda e polarização, iluminamos o dispositivo e o ajustamos de maneiras diferentes para gerar impressões digitais diferentes. Depois de treinar a rede neural com um conjunto de dados de cerca de 10.000 exemplos, a rede se tornou capaz de reconhecer os padrões associados a essas impressões digitais. Uma vez que ela tenha aprendido o suficiente, ele consegue caracterizar uma luz desconhecida," explicou Patrick Cheung, membro da equipe.

Estrutura do multissensor óptico. No detalhe, o descasamento entre as camadas de grafeno.
[Imagem: Chao Ma et al. - 10.1038/s41586-022-04548-w]

Metamateriais moiré

O multissensor explora as propriedades físicas únicas de uma nova família de materiais bidimensionais chamados metamateriais moiré.

O termo "moiré", de origem francesa, vem da tecelagem e designa um tipo de tecido de padrão ondulado. Em física, o termo é usado para nomear padrões de interferência que se formam quando duas redes são sobrepostas e rotacionam uma em relação a outra - esse mecanismo também é conhecido como super-rede.

Os materiais 2D, ou bidimensionais, têm estruturas periódicas e são atomicamente finos. Se duas camadas forem sobrepostas com uma pequena torção rotacional, pode se formar um padrão moiré com uma periodicidade ordens de magnitude maior do que a periodicidade do material original. O metamaterial moiré resultante terá então propriedades eletrônicas que diferem significativamente daquelas apresentadas por uma única camada ou por duas camadas naturalmente alinhadas.

A propriedade emergente de interesse neste caso é o chamado efeito fotovoltaico em massa: Quando a luz incide sobre o material, ele gera uma corrente elétrica cuja magnitude e fase são altamente dependentes da intensidade, do comprimento de onda e do estado de polarização daquela luz.

Ajustando o metamaterial moiré, a fotovoltagem gerada por uma determinada onda de luz cria um mapa que é único para essa onda - como uma impressão digital - e a partir do qual as propriedades da onda podem ser inferidas pelo programa de inteligência artificial.

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