I Sandia National Laboratories hanno creato il primo software di progettazione inversa per metamateriali ottici, il che significa che gli utenti iniziano descrivendo il risultato che desiderano, e il software compila i passaggi per arrivarci. L'approccio al design moderno elimina le congetture dalle tecnologie ingegneristiche ancora teoriche come l'ultracompatto, telecamere ad alte prestazioni e armature di occultamento che potrebbero rendere invisibili chi li indossa.

Sandia utilizza l'ausilio alla progettazione, chiamato Miraggio, nei suoi programmi di ricerca e sviluppo e lo scorso anno ha rilasciato una versione di prova a collaboratori selezionati. Ora, i ricercatori che lavorano su progetti di metamateriali governativi possono richiedere una licenza a costo zero.

artificiale, i metamateriali ottici sono stati propagandati per più di un decennio per la loro capacità di manipolare la luce in modi straordinari. In teoria, l'imaging satellitare e i telescopi interstellari potrebbero essere notevolmente più piccoli con lenti in metamateriale cento volte più sottili di quelle convenzionali. O, la tecnologia potrebbe un giorno portare a materiali di occultamento che deviano la luce intorno a loro, rendendo gli oggetti impossibili da vedere.

Mirage semplifica e automatizza il processo di progettazione dei materiali che sarebbero necessari per tali tecnologie.

Mirage elimina le congetture dal design

Il campo dei metamateriali ottici ha finora lottato per mantenere tutte le sue presunte promesse di rivoluzionare l'ottica. Una delle difficoltà per gli ingegneri è stata che i metamateriali sono fatti di minuscoli blocchi da costruzione, chiamati meta-atomi, che può essere progettato in innumerevoli varianti. Una certa forma, collettivamente, potrebbe piegare la luce. Cambia quella forma, la dimensione, la spaziatura o il materiale e che potrebbe amplificare l'effetto o diminuirlo o far accadere qualcosa di completamente diverso, come ruotare la luce in una direzione o nell'altra o cambiarne l'intensità o il colore.

"Finora è stato molto difficile prevedere quali saranno le proprietà 'omogeneizzate' di massa, " ha detto Mike Fiddy, un program manager presso la Defense Advanced Research Projects Agency, o DARPA, che ha finanziato lo sviluppo del software.

Altri software possono simulare cosa faranno i meta-atomi alla luce, ma ciò consente solo ai ricercatori di usare l'intuizione per sperimentare progetti diversi fino a quando non si imbattono o elaborano noiosamente il comportamento che desiderano.

Nonostante la sfida, alcuni ricercatori hanno avuto successo creando dispositivi metamateriali fantasiosi. Sandia ha inventato un dispositivo che converte il calore in elettricità, potenzialmente per motori più efficienti dal punto di vista dei consumi, e una tecnologia di miscelazione della luce che potrebbe portare a un nuovo, variabile, fonte di luce multicolore, che potrebbe accelerare tutti i tipi di ricerca dall'archeologia alla biomedicina.

Ma nel complesso, ha detto lo scienziato di Sandia Ihab El-Kady, l'impresa metamateriale ha bisogno di una spinta.

"Non possiamo assolutamente risolvere questo problema per tentativi ed errori, " disse El-Kady, che ha concepito Mirage. "Anziché, potremmo fare il contrario. Potremmo dire:'Ecco il comportamento che voglio. Ora dimmi che aspetto ha il metamateriale.'"

Nessuno strumento ha utilizzato questo approccio di progettazione inversa. Così, El-Kady e il suo team al National Security Photonics Center di Sandia ne hanno costruito uno.

Istruzioni intuitive per sfruttare oltre 100 modelli

Mirage consente agli utenti di iniziare dicendogli la proprietà ottica che desiderano - come il loro metamateriale deve interagire con la luce - e i loro materiali di partenza. Mirage genera design che soddisfano tali criteri da una libreria di oltre 100 modelli. O, gli utenti possono disegnare i propri disegni, e il programma li controllerà per errori.

"Un approccio più sistematico per la progettazione dei metamateriali dovrebbe accelerare notevolmente la loro adozione in varie aree di applicazione, " eliminando più comunemente usati, approcci basati sull'intuizione, ha detto Fiddy.

DARPA ha presentato Mirage come tecnologia di punta al 60th Anniversary Symposium dell'agenzia a Fort Washington, Maryland, mostrando i suoi usi di vasta portata.

"Mirage è uno strumento all-in-one, " El-Kady ha detto. "Non solo ti dice che aspetto ha il metamateriale, ti permette di esplorare varie configurazioni, simulare il sistema, convalidare il comportamento scelto, visualizza la sua risposta e ottimizza la sua funzionalità entro i tuoi vincoli di fabbricazione."

Il software perfeziona idee potenti

Oltre a ciò, ha detto lo scienziato senior di Sandia Igal Brener, chi usa il software nella sua ricerca metamateriale, Mirage è utile perché include algoritmi che aiutano i ricercatori a ottenere le migliori prestazioni dalle loro invenzioni.

Il team di Brener ha precedentemente creato un materiale che può mescolare due laser per produrre 11 colori contemporaneamente, compresa la luce infrarossa e ultravioletta. potenzialmente, questa tecnologia potrebbe essere sviluppata in laser sintonizzabili che sostituiscano quelli monocolore.

Ma alcuni di quei colori sono troppo tenui per essere utili, quindi sta esplorando modi per illuminare l'output. Altri pacchetti software utilizzati da Brener includono semplici algoritmi di ottimizzazione. Però, per utilizzare algoritmi più avanzati deve integrare quei pacchetti con la propria codifica. Non così con Mirage.

"Le tecniche di ottimizzazione sono disponibili in molti gusti diversi, " ha detto. "Mirage è l'unico pacchetto software che conosco che ha le complesse tecniche di ottimizzazione di cui ho bisogno."

Se il lancio iniziale ha esito positivo, Sandia prevede di sviluppare una seconda versione di Mirage, provvisoriamente chiamato Mirage Elite, ciò introdurrebbe un'impennata nell'ottimizzazione trasformando automaticamente i meta-atomi in forme bizzarre e stravaganti nella caccia a comportamenti sconosciuti.