Científicos desarrollan primer metalente capaz de enfocar toda la luz visible

Este metalente podría revolucionar nuestros dispositivos (celulares, cámaras y microscopios) debido a su delgadez y costo. Crédito: Jared Sisler. Harvard SEAS

Un equipo de investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de la Universidad de Harvard (SEAS por sus siglas en inglés) ha desarrollado la primera metalente capaz de enfocar todo el espectro visible de luz, incluida la luz blanca, en el mismo lugar y en alta resolución. La investigación ha sido publicada en Nature Nanotechnology.

Los metalentes son superficies planas que usan nano-estructuras para enfocar la luz. Estos nuevos nanomateriales prometen revolucionar la óptica al reemplazar las grandes lentes curvadas de nuestros dispositivos ópticos (como cámaras, microscopios, celulares) con una superficie simple y plana.  

Sin embargo, a pesar de su versatilidad, los metalentes han permanecido limitados en el espectro de luz que pueden enfocar bien. Esto ocurre porque concentrar todo el espectro visible además de la luz blanca es extremadamente difícil, cada longitud de onda se mueve a través de los materiales a diferentes velocidades.

Por ejemplo, las longitudes de onda rojas se moverán a través del vidrio más rápido que las azules, por lo que los dos colores llegarán a la misma ubicación en diferentes momentos dando como resultado diferentes focos. Esto crea distorsiones de imagen conocidas como aberraciones cromáticas. Las cámaras y los instrumentos ópticos utilizan múltiples lentes curvadas de diferentes espesores y materiales para corregir estas aberraciones, pero esto a su vez le da más espesor al dispositivo.

El próximo “gran paso” en la fabricación de metalentes

"Los metalentes tienen ventajas sobre los lentes tradicionales. Son delgados, fáciles de fabricar y rentables", dice Federico Capasso, profesor de Física Aplicada, investigador principal en ingeniería eléctrica en el SEAS y autor principal de la investigación. “Este avance amplía esas ventajas en todo el rango visible de la luz. Es el próximo gran paso", agrega.

Los metalentes desarrollados por Capasso y su equipo usan matrices de nanoaletas de dióxido de titanio para enfocar igualmente todas las longitudes de onda de la luz y eliminar la aberración cromática.

Anteriores investigaciones demostraron que diferentes longitudes de onda de luz podían enfocarse pero a diferentes distancias optimizando la forma, el ancho, la distancia y la altura de las nanoaletas. Y en este último diseño, los investigadores crearon unidades de nanoaletas emparejadas que controlan la velocidad de diferentes longitudes de onda de luz simultáneamente.

Las nanoaletas emparejadas controlan el índice de refracción en la meta-superficie y están sintonizadas para producir diferentes retrasos de tiempo para que la luz pase a través de diferentes aletas, asegurando que todas las longitudes de onda alcancen el punto focal al mismo tiempo.

"Uno de los mayores desafíos al diseñar una lente de banda ancha acromática es asegurarse de que las longitudes de onda salientes de todos los diferentes puntos de los metalentes lleguen al punto focal al mismo tiempo", dijo Wei Ting Chen, becario postdoctoral en SEAS y autor del artículo.

"Al combinar dos nanoaletas en un elemento, podemos ajustar la velocidad de la luz en el material nano-estructurado, para garantizar que todas las longitudes de onda en el (espectro) visible se centren en el mismo lugar, utilizando un solo metalente. Esto reduce drásticamente el grosor y la complejidad del diseño en comparación con lentes acromáticos estándar compuestos", agregó Ting Chen.

Por su parte Alexander Zhu, coautor del estudio explicó: "Al utilizar nuestra lente acromática, podemos crear imágenes de luz blanca de alta calidad. Esto nos acerca un paso más al objetivo de incorporarlas en dispositivos ópticos comunes como cámaras". El siguiente paso es fabricar lentes de mayor tamaño: aproximadamente 1 centímetro de diámetro.

Aunque no están libres de riesgos, los nanomateriales pueden abrir nuevas posibilidades para la ciencia. Por ejemplo, en octubre del año pasado un grupo de investigadores de la Universidad de Florida desarrolló un nanomaterial híbrido que puede extraer combustible de hidrógeno a partir del agua de mar.

 

Victor Román
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