El vidrio pulido ha estado en el centro de los sistemas de imágenes durante siglos. Su curvatura precisa permite que las lentes enfoquen la luz y produzcan imágenes nítidas, si el objeto a la vista es una sola celda, la página de un libro, o una galaxia lejana.

Cambiar el enfoque para ver claramente en todas estas escalas generalmente requiere mover físicamente una lente, inclinando, corredizo, o cambiar la lente de otra manera, generalmente con la ayuda de piezas mecánicas que se suman al grueso de los microscopios y telescopios.

Ahora los ingenieros del MIT han fabricado "metalentes" ajustables que pueden enfocarse en objetos a múltiples profundidades, sin cambios en su posición física o forma. La lente no está hecha de vidrio sólido, sino de un material transparente de "cambio de fase" que, después de calentar, puede reorganizar su estructura atómica y así cambiar la forma en que el material interactúa con la luz.

Los investigadores grabaron la superficie del material con pequeños, Estructuras con patrones precisos que funcionan juntas como una "metasuperficie" para refractar o reflejar la luz de formas únicas. A medida que cambia la propiedad del material, la función óptica de la metasuperficie varía en consecuencia. En este caso, cuando el material está a temperatura ambiente, la metasuperficie enfoca la luz para generar una imagen nítida de un objeto a cierta distancia. Después de calentar el material, su estructura atómica cambia, y en respuesta, la metasuperficie redirige la luz para enfocarse en un objeto más distante.

De este modo, los nuevos "metalentes" activos pueden ajustar su enfoque sin la necesidad de elementos mecánicos voluminosos. El diseño novedoso, qué imágenes actualmente dentro de la banda de infrarrojos, puede permitir dispositivos ópticos más ágiles, como visores térmicos en miniatura para drones, cámaras térmicas ultracompactas para teléfonos móviles, y gafas de visión nocturna de perfil bajo.

"Nuestro resultado muestra que nuestra lente sintonizable ultradelgada, sin partes móviles, puede lograr imágenes sin aberraciones de objetos superpuestos colocados a diferentes profundidades, rivalizando con lo tradicional, voluminosos sistemas ópticos, "dice Tian Gu, un científico investigador en el Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT.

Gu y sus colegas han publicado hoy sus resultados en la revista. Comunicaciones de la naturaleza . Sus coautores incluyen a Juejun Hu, Mikhail Shalaginov, Yifei Zhang, Fan Yang, Peter Su, Carlos Ríos, Qingyang Du, y Anuradha Agarwal en MIT; Vladimir Liberman, Jeffrey Chou, y Christopher Roberts del Laboratorio Lincoln del MIT; y colaboradores de la Universidad de Massachusetts en Lowell, la Universidad de Florida Central, y Lockheed Martin Corporation.

Un retoque material

La nueva lente está hecha de un material de cambio de fase que el equipo fabricó modificando un material comúnmente utilizado en CD y DVD regrabables. Llamado GST, comprende germanio, antimonio, y telurio, y su estructura interna cambia cuando se calienta con pulsos de láser. Esto permite que el material cambie entre los estados transparente y opaco, el mecanismo que permite escribir los datos almacenados en CD, Echado fuera, y reescrito.

A principios de este año, los investigadores informaron que agregaron otro elemento, selenio, a GST para hacer un nuevo material de cambio de fase:GSST. Cuando calentaron el nuevo material, su estructura atómica cambió de un amorfo, maraña aleatoria de átomos a una más ordenada, estructura cristalina. Este cambio de fase también cambió la forma en que la luz infrarroja viaja a través del material, afectando el poder de refracción pero con un impacto mínimo en la transparencia.

El equipo se preguntó si la capacidad de conmutación de GSST podría adaptarse para dirigir y enfocar la luz en puntos específicos según su fase. El material entonces podría servir como lente activa, sin la necesidad de que las piezas mecánicas cambien su enfoque.

"En general, cuando uno fabrica un dispositivo óptico, es muy desafiante ajustar sus características después de la fabricación, ", Dice Shalaginov." Es por eso que tener este tipo de plataforma es como un santo grial para los ingenieros ópticos, eso permite [las metalentes] cambiar el enfoque de manera eficiente y en un amplio rango ".

En el asiento caliente

En lentes convencionales, El vidrio está curvado con precisión para que el haz de luz entrante se refracte de la lente en varios ángulos, convergiendo en un punto a cierta distancia, conocido como distancia focal de la lente. Las lentes pueden producir una imagen nítida de cualquier objeto a esa distancia en particular. Para obtener imágenes de objetos a una profundidad diferente, la lente debe moverse físicamente.

En lugar de depender de la curvatura fija de un material para dirigir la luz, los investigadores buscaron modificar las metalentes basadas en GSST de manera que la distancia focal cambia con la fase del material.

En su nuevo estudio, fabricaron una capa de GSST de 1 micrón de espesor y crearon una "metasuperficie" grabando la capa de GSST en estructuras microscópicas de varias formas que refractan la luz de diferentes maneras.

"Es un proceso sofisticado para construir la metasuperficie que cambia entre diferentes funcionalidades, y requiere una ingeniería juiciosa sobre qué tipo de formas y patrones usar, "Gu dice". Al saber cómo se comportará el material, podemos diseñar un patrón específico que se enfocará en un punto en el estado amorfo, y cambiar a otro punto de la fase cristalina ".

Probaron los nuevos metalentes colocándolos en un escenario e iluminándolos con un rayo láser sintonizado con la banda de luz infrarroja. A determinadas distancias delante del objetivo, colocaron objetos transparentes compuestos por patrones de doble cara de barras horizontales y verticales, conocidos como gráficos de resolución, que se utilizan normalmente para probar sistemas ópticos.

La lente en su inicial, estado amorfo, produjo una imagen nítida del primer patrón. Luego, el equipo calentó la lente para transformar el material en una fase cristalina. Después de la transición, y con la fuente de calor retirada, la lente produjo una imagen igualmente nítida, esta vez del segundo, más conjunto de barras.

"Demostramos imágenes a dos profundidades diferentes, sin ningún movimiento mecánico, ", Dice Shalaginov.

Los experimentos muestran que un metalente puede cambiar de enfoque activamente sin ningún movimiento mecánico. Los investigadores dicen que una metalente podría potencialmente fabricarse con microcalentadores integrados para calentar rápidamente el material con pulsos cortos de milisegundos. Variando las condiciones de calefacción, también pueden sintonizar con los estados intermedios de otros materiales, permitiendo la sintonización focal continua.

"Es como cocinar un bistec:uno comienza con un bistec crudo, y puede subir a bien hecho, o podría hacerlo medio raro, y cualquier otra cosa en el medio, ", Dice Shalaginov." En el futuro, esta plataforma única nos permitirá controlar arbitrariamente la distancia focal de las metalentes ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.