11 de março de 2024 (Destaque do Nanowerk) A holografia, a técnica de utilização da luz para reconstruir imagens tridimensionais, há muito que capta a imaginação dos cientistas e do público. Ao registrar e posteriormente recriar a forma de onda completa da luz refletida em um objeto, os hologramas podem exibir imagens que mudam e mudam de perspectiva com base na posição do observador, criando uma ilusão convincente de profundidade. O sonho de aproveitar esta capacidade para criar exibições holográficas dinâmicas e coloridas impulsionou décadas de pesquisa, mas permaneceu teimosamente fora de alcance. O desafio reside no facto de que, para criar um holograma, as ondas de luz devem ser controladas com precisão em escalas menores que o comprimento de onda da própria luz. A holografia tradicional depende do uso de filmes de materiais sensíveis à luz para registrar padrões de interferência, que por sua vez podem reproduzir a frente de onda da luz e criar uma imagem holográfica. No entanto, esta abordagem produz hologramas estáticos que não podem ser facilmente alterados. Mais recentemente, os cientistas fizeram experiências com o uso de cristais líquidos, materiais nos quais moléculas em forma de bastonete se autoalinham em estruturas ordenadas, como meio holográfico dinâmico. A aplicação de campos elétricos pode alterar a orientação das moléculas de cristal líquido, alterando a forma como elas interagem com a luz e potencialmente permitindo que a imagem holográfica seja sintonizada. Até agora, entretanto, a holografia baseada em cristal líquido enfrentou limitações. A maioria das abordagens coloca cristais líquidos em camadas sobre superfícies com padrões estáticos ou metasuperfícies projetado para mudar a fase das ondas de luz de maneiras específicas. Embora esses sistemas híbridos de metasuperfície de cristal líquido forneçam alguma capacidade de ajuste, eles são complexos de fabricar e a camada de cristal líquido normalmente só pode transmitir mudanças uniformes ao padrão de fase pré-definido. Isto restringe a geração de imagens e evita a projeção de imagens holográficas completamente arbitrárias. A criação de um sistema de cristal líquido capaz de holografia versátil e dinâmica continua sendo uma necessidade não atendida. Isto é, até um novo estudo inovador de uma equipe de pesquisa abrangendo três universidades na China e em Cingapura. Conforme relatado no jornal eLuz (“Holografia vetorial de cristal líquido”), os cientistas desenvolveram o primeiro dispositivo de cristal líquido de camada única capaz de gerar imagens holográficas dinâmicas completamente arbitrárias, abrangendo todo o espectro de cores visíveis. A sua nova abordagem, que apelidam de “holografia vetorial”, tem o potencial de finalmente permitir exibições holográficas práticas.
Ilustrações esquemáticas de holografia LC escalar e vetorial. a Holografia escalar LC. A imagem holográfica (um gato) é reconstruída com uma distribuição de fase aleatória quando iluminada pela luz LCP. b Holografia vetorial LC. Multiplexamos espacialmente os hologramas LC para LCP e RCP em uma única camada LC, que são indicadas por diretores LC azuis e vermelhos. Duas imagens holográficas independentes (um gato sem cauda e um gato sem cabeça) são geradas com amplitudes espacialmente variantes e diferenças de fase quando iluminadas por luz polarizada linearmente. Estas duas imagens estão parcialmente sobrepostas. O padrão vetorial é determinado tanto pela distribuição da diferença de fase quanto pela razão de amplitude. eLight, (CC BY 4.0) A chave para a inovação da equipe foi desenvolver uma maneira de assumir o controle total sobre as moléculas de cristal líquido pixel por pixel em uma única camada. Eles conseguiram isso usando um dispositivo de microespelho digital como uma máscara fotográfica dinâmica, permitindo definir com precisão a orientação molecular em mais de um milhão de pontos na camada de cristal líquido com uma resolução de aproximadamente um micrômetro. Ao controlar simultaneamente o ângulo de orientação e a mudança de fase resultante transmitida a cada pixel quando uma tensão é aplicada, os pesquisadores poderiam definir holograficamente um campo de luz alvo com controle completo sobre a amplitude e a polarização da frente de onda em cada ponto.
Usando esta abordagem, os cientistas foram capazes de gerar duas imagens holográficas totalmente independentes, uma para luz polarizada circularmente à esquerda e outra para luz polarizada circularmente à direita. Eles então combinaram engenhosamente essas duas imagens em um único padrão de cristal líquido usando um algoritmo de cálculo de holograma recém-desenvolvido. Quando iluminado com luz de qualquer polarização, este holograma combinado produz a imagem alvo para aquela lateralidade de um lado, mas com uma mudança de fase igual e oposta entre os dois. Assim, a polarização da luz é transformada de forma definida em cada ponto da frente de onda de saída.
Ao usar luz de entrada contendo uma mistura igual de ambas as polarizações circulares, os pesquisadores puderam fazer com que as duas imagens holográficas interferissem, dando-lhes efetivamente controle em nível de pixel sobre a polarização resultante em cada ponto – incluindo a capacidade de criar pontos de polarização linear em qualquer ângulo. . A relação de amplitude e fase entre as duas polarizações circulares define um estado de polarização que traça um caminho na esfera de Poincaré, uma representação gráfica de todas as polarizações possíveis, à medida que o holograma é atravessado.
Utilizando este controlo de polarização como um grau adicional de liberdade, a equipa demonstrou várias capacidades notáveis. Eles criaram uma imagem holográfica de um relógio em que os ponteiros das horas e dos minutos eram projetados com polarizações circulares opostas, enquanto os números eram codificados como polarizações lineares específicas em diferentes ângulos, criptografando o tempo completo de uma forma apenas revelada através da análise de polarização. Ainda mais surpreendente, eles geraram imagens holográficas da Lua nas quais tanto a amplitude espacialmente variável quanto a polarização eram controladas simultaneamente de maneira totalmente arbitrária.
Ao aplicar um campo eléctrico, os cientistas puderam sintonizar e mudar estas projecções holográficas em tempo real, graças à resposta dinâmica das moléculas de cristal líquido. Eles até criaram um vídeo holográfico de um jogador de futebol cobrando uma falta, no qual diferentes quadros temporais eram multiplexados nos canais de polarização linear e podiam ser visualizados em sequência girando um analisador de polarização. Todo o sistema provou ser altamente eficiente, com mais de 60% da luz de entrada sendo convertida na frente de onda holográfica desejada em todo o espectro visível – um avanço importante em relação à natureza de banda estreita das abordagens baseadas em metassuperfícies.
Com este trabalho inovador, os pesquisadores abriram um paradigma inteiramente novo para a holografia de cristal líquido. Sua abordagem de multiplexação de polarização expande exponencialmente a capacidade de informação dos hologramas e permite controle completo sobre os campos de luz reconstruídos. A simplicidade de seu design de camada única, combinada com a resposta rápida e a capacidade de banda larga dos cristais líquidos, torna sua plataforma especialmente adequada para a criação de exibições holográficas dinâmicas. Vídeo holográfico colorido em tempo real agora está ao seu alcance.
Olhando para o futuro, os pesquisadores prevêem uma ampla gama de aplicações para sua tecnologia de holografia vetorial. Imagens holográficas criptografadas poderiam ser usadas como uma nova plataforma versátil para segurança e combate à falsificação. As projeções holográficas poderiam permitir novas exibições de realidade aumentada e virtual. O controle arbitrário da amplitude e da polarização da luz pode permitir novos tipos de armadilhas ópticas e manipulações para pesquisa biológica e nanomontagem. À medida que a equipa refina o seu processo de fabricação e aumenta o tamanho dos seus hologramas de cristal líquido, estas e muitas outras possibilidades estão prestes a tornar-se realidade.
O desenvolvimento do primeiro dispositivo de cristal líquido de camada única capaz de controle dinâmico completo sobre campos de luz holográficos é, sem dúvida, uma conquista marcante. Ao aproveitar totalmente a natureza líquida dos cristais líquidos e combinar o controle de amplitude e polarização em uma estrutura unificada, os pesquisadores alcançaram o que antes era considerado impossível com a holografia de cristais líquidos.
Ilustrações esquemáticas de holografia LC escalar e vetorial. a Holografia escalar LC. A imagem holográfica (um gato) é reconstruída com uma distribuição de fase aleatória quando iluminada pela luz LCP. b Holografia vetorial LC. Multiplexamos espacialmente os hologramas LC para LCP e RCP em uma única camada LC, que são indicadas por diretores LC azuis e vermelhos. Duas imagens holográficas independentes (um gato sem cauda e um gato sem cabeça) são geradas com amplitudes espacialmente variantes e diferenças de fase quando iluminadas por luz polarizada linearmente. Estas duas imagens estão parcialmente sobrepostas. O padrão vetorial é determinado tanto pela distribuição da diferença de fase quanto pela razão de amplitude. eLight, (CC BY 4.0) A chave para a inovação da equipe foi desenvolver uma maneira de assumir o controle total sobre as moléculas de cristal líquido pixel por pixel em uma única camada. Eles conseguiram isso usando um dispositivo de microespelho digital como uma máscara fotográfica dinâmica, permitindo definir com precisão a orientação molecular em mais de um milhão de pontos na camada de cristal líquido com uma resolução de aproximadamente um micrômetro. Ao controlar simultaneamente o ângulo de orientação e a mudança de fase resultante transmitida a cada pixel quando uma tensão é aplicada, os pesquisadores poderiam definir holograficamente um campo de luz alvo com controle completo sobre a amplitude e a polarização da frente de onda em cada ponto.
Usando esta abordagem, os cientistas foram capazes de gerar duas imagens holográficas totalmente independentes, uma para luz polarizada circularmente à esquerda e outra para luz polarizada circularmente à direita. Eles então combinaram engenhosamente essas duas imagens em um único padrão de cristal líquido usando um algoritmo de cálculo de holograma recém-desenvolvido. Quando iluminado com luz de qualquer polarização, este holograma combinado produz a imagem alvo para aquela lateralidade de um lado, mas com uma mudança de fase igual e oposta entre os dois. Assim, a polarização da luz é transformada de forma definida em cada ponto da frente de onda de saída.
Ao usar luz de entrada contendo uma mistura igual de ambas as polarizações circulares, os pesquisadores puderam fazer com que as duas imagens holográficas interferissem, dando-lhes efetivamente controle em nível de pixel sobre a polarização resultante em cada ponto – incluindo a capacidade de criar pontos de polarização linear em qualquer ângulo. . A relação de amplitude e fase entre as duas polarizações circulares define um estado de polarização que traça um caminho na esfera de Poincaré, uma representação gráfica de todas as polarizações possíveis, à medida que o holograma é atravessado.
Utilizando este controlo de polarização como um grau adicional de liberdade, a equipa demonstrou várias capacidades notáveis. Eles criaram uma imagem holográfica de um relógio em que os ponteiros das horas e dos minutos eram projetados com polarizações circulares opostas, enquanto os números eram codificados como polarizações lineares específicas em diferentes ângulos, criptografando o tempo completo de uma forma apenas revelada através da análise de polarização. Ainda mais surpreendente, eles geraram imagens holográficas da Lua nas quais tanto a amplitude espacialmente variável quanto a polarização eram controladas simultaneamente de maneira totalmente arbitrária.
Ao aplicar um campo eléctrico, os cientistas puderam sintonizar e mudar estas projecções holográficas em tempo real, graças à resposta dinâmica das moléculas de cristal líquido. Eles até criaram um vídeo holográfico de um jogador de futebol cobrando uma falta, no qual diferentes quadros temporais eram multiplexados nos canais de polarização linear e podiam ser visualizados em sequência girando um analisador de polarização. Todo o sistema provou ser altamente eficiente, com mais de 60% da luz de entrada sendo convertida na frente de onda holográfica desejada em todo o espectro visível – um avanço importante em relação à natureza de banda estreita das abordagens baseadas em metassuperfícies.
Com este trabalho inovador, os pesquisadores abriram um paradigma inteiramente novo para a holografia de cristal líquido. Sua abordagem de multiplexação de polarização expande exponencialmente a capacidade de informação dos hologramas e permite controle completo sobre os campos de luz reconstruídos. A simplicidade de seu design de camada única, combinada com a resposta rápida e a capacidade de banda larga dos cristais líquidos, torna sua plataforma especialmente adequada para a criação de exibições holográficas dinâmicas. Vídeo holográfico colorido em tempo real agora está ao seu alcance.
Olhando para o futuro, os pesquisadores prevêem uma ampla gama de aplicações para sua tecnologia de holografia vetorial. Imagens holográficas criptografadas poderiam ser usadas como uma nova plataforma versátil para segurança e combate à falsificação. As projeções holográficas poderiam permitir novas exibições de realidade aumentada e virtual. O controle arbitrário da amplitude e da polarização da luz pode permitir novos tipos de armadilhas ópticas e manipulações para pesquisa biológica e nanomontagem. À medida que a equipa refina o seu processo de fabricação e aumenta o tamanho dos seus hologramas de cristal líquido, estas e muitas outras possibilidades estão prestes a tornar-se realidade.
O desenvolvimento do primeiro dispositivo de cristal líquido de camada única capaz de controle dinâmico completo sobre campos de luz holográficos é, sem dúvida, uma conquista marcante. Ao aproveitar totalmente a natureza líquida dos cristais líquidos e combinar o controle de amplitude e polarização em uma estrutura unificada, os pesquisadores alcançaram o que antes era considerado impossível com a holografia de cristais líquidos.
– Michael é autor de três livros da Royal Society of Chemistry:
Nano-sociedade: ultrapassando os limites da tecnologia,
Nanotecnologia: o futuro é minúsculo e
Nanoengenharia: as habilidades e ferramentas que tornam a tecnologia invisível
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- Fonte: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64826.php
