Cuatro metalentes ultrafinas desarrolladas por investigadores de la Universidad de Washington y visualizadas bajo un microscopio. Crédito:Liu et al., Nano letras, 2018
En óptica, la era de las lentes de vidrio puede estar decayendo.
En años recientes, físicos e ingenieros han estado diseñando, construir y probar diferentes tipos de materiales ultrafinos que podrían reemplazar las lentes de vidrio grueso que se usan hoy en día en cámaras y sistemas de imágenes. Críticamente, estas lentes de ingeniería, conocidas como metalentes, no están hechas de vidrio. En lugar de, Consisten en materiales construidos a escala nanométrica en conjuntos de columnas o estructuras en forma de aletas. Estas formaciones pueden interactuar con la luz entrante, dirigiéndolo hacia un único punto focal para fines de imagen.
Pero a pesar de que las metalentes son mucho más delgadas que las lentes de vidrio, todavía se basan en estructuras de "alta relación de aspecto", en el que la columna o las estructuras en forma de aleta son mucho más altas que anchas, haciéndolos propensos a colapsar y caerse. Es más, estas estructuras siempre han estado cerca de la longitud de onda de la luz con la que interactúan en espesor, hasta ahora.
En un artículo publicado el 8 de octubre en la revista Nano letras , un equipo de la Universidad de Washington y la Universidad Nacional Tsing Hua en Taiwán anunció que ha construido metalentes funcionales que tienen entre una décima y la mitad del grosor de las longitudes de onda de la luz que enfocan. Sus metalentes, que fueron construidos con materiales bidimensionales en capas, eran tan delgados como 190 nanómetros, menos de 1/100, Milésimas de pulgada de espesor.
"Esta es la primera vez que alguien ha demostrado que es posible crear metalentes a partir de materiales 2-D, "dijo el autor principal y co-corresponsal Arka Majumdar, un profesor asistente de la UW de física y de ingeniería eléctrica e informática.
Sus principios de diseño se pueden utilizar para la creación de metalentes con más complejos, características ajustables, añadió Majumdar, quien también es investigador de la facultad del Instituto de Ciencias e Ingeniería Molecular de la Universidad de Washington.
Una letra mayúscula W representada por tres prototipos de metalentes diferentes (A, B y C) utilizando diferentes modelos matemáticos, tanto sin (izquierda) como con posprocesamiento computacional (derecha). Crédito:Liu et al., Nano letras, 2018
El equipo de Majumdar ha estado estudiando los principios de diseño de metalentes durante años, y metalentes previamente construidos para imágenes a todo color. Pero el desafío en este proyecto fue superar una limitación de diseño inherente en las metalentes:para que un material de metalentes interactúe con la luz y logre una calidad de imagen óptima, el material tenía que tener aproximadamente el mismo grosor que la longitud de onda de la luz en ese material. En términos matemáticos, Esta restricción asegura que se pueda lograr un rango de cambio de fase completo de cero a dos pi, lo que garantiza que se pueda diseñar cualquier elemento óptico. Por ejemplo, una metalente para una onda de luz de 500 nanómetros, que en el espectro visual es luz verde, debería tener un grosor de aproximadamente 500 nanómetros, aunque este espesor puede disminuir a medida que aumenta el índice de refracción del material.
Majumdar y su equipo pudieron sintetizar metalentes funcionales que eran mucho más delgadas que este límite teórico:una décima a la mitad de la longitud de onda. Primero, construyeron las metalentes a partir de láminas de materiales bidimensionales en capas. El equipo utilizó materiales 2-D ampliamente estudiados, como nitruro de boro hexagonal y disulfuro de molibdeno. Una sola capa atómica de estos materiales proporciona un cambio de fase muy pequeño, inadecuado para una lente eficiente. Entonces, el equipo usó varias capas para aumentar el grosor, aunque el espesor siguió siendo demasiado pequeño para alcanzar un cambio de fase completo de dos pi.
"Tuvimos que empezar por averiguar qué tipo de diseño produciría el mejor rendimiento dada la fase incompleta, "dijo el coautor Jiajiu Zheng, estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica e informática.
Para compensar el déficit, el equipo empleó modelos matemáticos que se formularon originalmente para la óptica de cristal líquido. Estas, junto con los elementos estructurales de metalens, permitió a los investigadores lograr una alta eficiencia incluso si no se cubre todo el cambio de fase. Probaron la eficacia del metalente usándolo para capturar diferentes imágenes de prueba, incluida la Mona Lisa y una letra mayúscula W. El equipo también demostró cómo el estiramiento de las metalentes podía sintonizar la distancia focal de la lente.
Además de lograr un enfoque completamente nuevo para el diseño de metalentes a niveles récord, el equipo cree que sus experimentos muestran la promesa de fabricar nuevos dispositivos para imágenes y ópticas a partir de materiales 2-D.
"Estos resultados abren una plataforma completamente nueva para estudiar las propiedades de los materiales 2-D, así como la construcción de dispositivos nanofotónicos completamente funcionales hechos completamente de estos materiales, "dijo Majumdar. Además, estos materiales se pueden transferir fácilmente a cualquier sustrato, incluyendo materiales flexibles, abriendo camino hacia la fotónica flexible.
