Las metasuperficies activas, cuyas propiedades ópticas se pueden ajustar después de la fabricación, se han convertido en un área de interés en los últimos años. Sin embargo, los esfuerzos realizados hasta la fecha aún enfrentan graves limitaciones de rendimiento en el rango de sintonización, la calidad óptica y la eficiencia, especialmente para dispositivos no mecánicos.
Los ingenieros del Instituto de Tecnología de Massachusetts han desarrollado "lentes de metal" adaptables que pueden proporcionar un enfoque más eficiente de las lentes de cámaras, microscopios, telescopios y otros sistemas de imágenes sin el uso de mecanismos de accionamiento voluminosos.
El vidrio transparente con dos superficies pulidas que refractan la luz ha sido la base de la mayoría de los sistemas ópticos durante muchos siglos. El grado de concavidad o convexidad de las superficies de la lente le permite ver todo tipo de objetos, desde una celda diminuta hasta una galaxia distante y distante. Sin embargo, para obtener una imagen nítida de objetos de cualquier escala, hay que recurrir al movimiento físico de la lente mediante mecanismos adicionales que ocupan mucho espacio y hacen que el dispositivo sea más pesado, ya sea una cámara, un microscopio o un telescopio.
Los investigadores grabaron la superficie del material con estructuras diminutas y con patrones precisos que funcionan juntas como una metasuperficie, refractando o reflejando la luz de una manera única. Cuando las propiedades del material cambian, la función óptica de la metasuperficie cambia en consecuencia. En este caso, cuando el material está a temperatura ambiente, la metasuperficie enfoca la luz para crear una imagen clara del 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.
Por lo tanto, la nueva lente de metal activa puede ajustar el enfoque sin la necesidad de elementos mecánicos voluminosos. El nuevo diseño, que actualmente permite imágenes infrarrojas, podría permitir dispositivos ópticos más flexibles, como cámaras térmicas en miniatura para drones, cámaras térmicas ultracompactas para teléfonos móviles y gafas de visión nocturna de perfil bajo.
Transiciones de fase
La nueva lente está hecha de un material de cambio de fase que el equipo hizo al personalizar el material que se usa comúnmente en los CD y DVD regrabables. Llamado GST, está compuesto de germanio, antimonio y telurio, y su estructura interna cambia de cristalino a amorfo, de transparente a opaco cuando se calienta con pulsos de láser. Son estas transiciones de fase las que hacen posible crear medios de grabación ópticos reversibles. Este mecanismo le permite escribir, borrar y sobrescribir datos almacenados en CD.
Cambio en la distancia focal en el estado amorfo y cristalino del material.
Luego, los ingenieros agregaron selenio a la estructura del GST, lo que resultó en el GSST. En la versión actualizada, la transición de fase también influyó en la interacción del metamaterial con la luz infrarroja, transformando su poder reflectante con un impacto mínimo en la transparencia de la superficie. Al observar las propiedades inusuales de GSST, los investigadores pensaron que podría adaptarse para crear una "metalente" activa que pueda adaptar su distancia focal dependiendo de la fase.
GSST bajo el microscopio
En pruebas de laboratorio, los ingenieros produjeron una capa de GSST que tenía solo 1 micra de espesor y experimentaron con diferentes formas de material para encontrar la opción más óptima que pudiera cambiar la forma en que interactúa con la luz dependiendo de la temperatura. Las "lentes de metal" de GSST se colocaron en un banco de pruebas con un láser sintonizado para emitir luz en el rango infrarrojo. A cierta distancia de la instalación, los ingenieros colocaron placas transparentes a las que se les aplicaron trazos horizontales y verticales de alto contraste, los llamados objetos de prueba para evaluar la resolución de los sistemas optoelectrónicos digitales.
En el estado amorfo inicial, las "metalentes" se enfocan fácilmente en la placa más cercana. Luego, los científicos calentaron el metamaterial para que adquiriera una estructura cristalina clara y se enfocara en un objeto de prueba más distante. Hasta ahora, el material inusual demuestra la capacidad de capturar imágenes nítidas en dos niveles de profundidad de campo sin el uso de accionamientos mecánicos. En el futuro, los investigadores planean ampliar la gama de fases del material GSST para aumentar las capacidades de enfoque de los "metalentes". Uno de los ingenieros comparó el proceso de cambio de fases en materiales similares con el de cocinar bistec. La carne no solo puede ser cruda o frita: hay muchos estados intermedios, solo necesita encontrar la manera de lograrlos y corregir el resultado.
Los experimentos muestran que la lente de metal puede cambiar activamente el enfoque sin ningún movimiento mecánico. Los investigadores dicen que la lente de metal podría potencialmente fabricarse con microcalentadores incorporados para calentar rápidamente el material en pulsos cortos de milisegundos. Al cambiar las condiciones de calentamiento, también pueden sintonizar los estados intermedios de otros materiales, proporcionando un ajuste de enfoque continuo.
Más detalles: www.nature.com/articles/s41467-021-21440-9