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La videoconferencia desempeñó un papel fundamental durante la pandemia de COVID-19 y está llamada a dominar muchas reuniones en el futuro. Para lograr la verdadera sensación de un diálogo cara a cara, se necesita vídeo tridimensional y, sin embargo, la tecnología holográfica sigue sin aparecer.
Los investigadores de la Universidad de Stuttgart (Alemania) han introducido un enfoque completamente nuevo para realizar estas pantallas holográficas dinámicas, basado en nanoantenas plasmónicas conmutables eléctricamente hechas de polímeros metálicos conductores. Este elemento clave proporciona la tecnología que faltaba para hacer posible las pantallas holográficas a velocidad de vídeo, lo que permitiría realizar conferencias virtuales con una sensación de "vida real". El artículo que detalla este trabajo se ha publicado en la revista Science el 29 de octubre de 2021.
Los hologramas que crean impresionantes imágenes estáticas tridimensionales son bien conocidos. Hasta ahora no era posible crear hologramas dinámicos que se pudieran cambiar a velocidades de vídeo utilizando los datos de una conexión a Internet de alta velocidad.
Antes, el factor limitante era la resolución de la pantalla. Las imágenes holográficas requieren una resolución de 50.000 ppp (píxeles por pulgada), lo que supone 100 veces más que las mejores pantallas de los smartphones.
Para lograr esa resolución hay que reducir el tamaño de los píxeles a medio micrómetro (milésimas de milímetro). Sin embargo, la actual tecnología de cristal líquido no permite utilizar píxeles tan pequeños, ya que está limitada a unos pocos micrómetros de tamaño de píxel.
Los investigadores de la Universidad de Stuttgart han conseguido romper esta barrera fundamental. En una colaboración interdisciplinar entre Física y Química, desarrollaron la idea de utilizar nanoantenas plasmónicas conmutables eléctricamente con dimensiones de solo unos cientos de nanómetros y fabricadas con polímeros conductores.
Durante varios años, los investigadores habían creado metasuperficies que generan hologramas tridimensionales estáticos. Sin embargo, sus componentes, o nanoantenas, consistían en metales como el oro o el aluminio que no podían conmutarse como los materiales comunes de cristal líquido.
Después de buscar durante varios años el material adecuado, el estudiante de doctorado Julian Karst y el experto en nanofotónica Dr. Mario Hentschel del grupo del Prof. Harald Giessen, junto con la química de polímeros Prof. Sabine Ludwigs y su equipo, identificaron polímeros conductores de la electricidad como posibles candidatos para la plasmónica conmutable. Sabine Ludwigs aportó su experiencia en la conmutación electroquímica de estos polímeros funcionales, que fueron objeto del Premio Nobel de Química 2000.
Hasta ahora, estos materiales se habían utilizado principalmente para el transporte de corriente en pantallas flexibles y células solares. En colaboración con la jefa de la sala blanca, Monika Ubl, Karst y Hentschel desarrollaron un proceso para nanoestructurar los polímeros metálicos mediante una combinación de litografía por haz de electrones y grabado, creando así las nanoantenas plasmónicas.
El equipo demostró que el aspecto óptico de las nanoantenas podía cambiar entre el de un metal brillante y el de un material transparente aplicando un voltaje entre menos y más un voltio.
Este efecto de conmutación funciona incluso a velocidades de vídeo de 30 hercios. A pesar de tener sólo unas decenas de nanómetros de grosor y menos de 400 nanómetros de tamaño, las nanoantenas hacen el mismo trabajo que los cristales líquidos, mucho más grandes y gruesos, utilizados en la tecnología actual de vanguardia. Estos nuevos dispositivos alcanzan las densidades de píxeles necesarias de unos 50.000 ppp.
Karst creó una sencilla metasuperficie de holograma a partir de las nanoantenas que podía desviar un rayo láser infrarrojo 10 grados hacia un lado aplicando un voltaje.
En la actualidad, está trabajando para conseguir que esta desviación se produzca en muchos ángulos para su aplicación en dispositivos LIDAR en vehículos autónomos, de gran interés para la industria del automóvil.
Además, Karst creó un holograma que se comporta como una lente óptica, que puede encenderse y apagarse simplemente aplicando ±1 voltio. Esta tecnología es crucial para las futuras cámaras de los teléfonos inteligentes o los sensores ópticos que podrían pasar de gran angular a teleobjetivo cambiando el voltaje aplicado. Actualmente se necesitan hasta cuatro lentes para esta funcionalidad.
Fuentes, créditos y referencias:
Julian Karst et al, Electrically switchable metallic polymer nanoantennas, Science (2021). DOI: 10.1126/science.abj3433
Imagen: Crédito: Julian Karst, Universidad de Stuttgart