Científicos revolucionan la óptica creando lentes combinando metasuperficies nanoestructuradas con tecnología de cristal líquido
Durante más de 500 años, los seres humanos han dominado el arte de refractar la luz dando forma al vidrio en lentes, luego doblando o combinando esos lentes para amplificar y aclarar imágenes tanto de cerca como de lejos.
Pero en la última década, un grupo dirigido por el científico Federico Capasso de la Universidad de Harvard ha comenzado a transformar el campo de la óptica mediante la ingeniería de metasuperficies ópticas planas, empleando una serie de millones de diminutos pilares de cuarzo transparentes y microscópicamente delgados para difractar y moldear el flujo de luz de la misma manera que una lente de vidrio, pero sin las aberraciones que naturalmente limitan el vidrio.
La tecnología fue seleccionada entre las 10 principales tecnologías emergentes por el Foro Económico Mundial (WEF) en 2019, que señaló que estas lentes cada vez más pequeñas y claras pronto comenzarían a verse en teléfonos con cámara, sensores, líneas de fibra óptica y dispositivos de imágenes médicos, como endoscopios.
“Reducir el tamaño de las lentes que utilizan los teléfonos móviles, las computadoras y otros dispositivos electrónicos ha superado las capacidades de las técnicas tradicionales de corte y curvado de vidrio”, según el WEF. "... Estas lentes diminutas, delgadas y planas podrían reemplazar las lentes de vidrio voluminosas existentes y permitir una mayor miniaturización en sensores y dispositivos de imágenes médicas".
Hacer metalentes 'reconfigurables'
Ahora, el profesor de física de la Universidad Case Western Reserve, Giuseppe Strangi, y sus colaboradores en Harvard han dado un paso para hacer que estas “metalentes” sean aún más útiles, haciéndolas reconfigurables.
Lo hicieron aprovechando las fuerzas a nanoescala para infiltrar cristales líquidos entre esos pilares microscópicos, permitiéndoles dar forma y difractar la luz de formas completamente nuevas, "sintonizando" el poder de enfoque, dijo Strangi.
Los cristales líquidos son especialmente útiles porque se pueden manipular térmica, eléctrica, magnética u ópticamente, lo que crea el potencial para las lentes flexibles o reconfigurables.
"Creemos que esto promete revolucionar la óptica tal como la conocemos desde el siglo XVI", dijo Strangi, cuyo laboratorio de nanoplasma en Case Western Reserve investiga la "óptica extrema" y la "interacción de la luz y la materia a nanoescala", entre otros temas.
Hasta hace poco, una vez que una lente de vidrio tenía la forma de una curva rígida, solo podía doblar la luz de una manera, a menos que se combinara con otras lentes o se moviera físicamente, dijo Strangi.
Las metalentes cambiaron eso, ya que permiten diseñar el frente de onda controlando la fase, la amplitud y la polarización de la luz.
Ahora, al controlar el cristal líquido, los investigadores han podido mover esta nueva clase de metalentes hacia nuevos esfuerzos científicos y tecnológicos para generar luz estructurada reconfigurable.
“Este es solo el primer paso, pero hay muchas posibilidades para usar estos lentes, y ya nos han contactado empresas interesadas en esta tecnología”, dijo Strangi.
El documento que anuncia el avance fue publicado en the Proceedings of the National Academy of Sciences.
Strangi colaboró con varios investigadores en los Estados Unidos y Europa, incluidos los investigadores de Case Western Reserve Andrew Lininger y Jonathan Boyd; Giovanna Palermo de Universita’ della Calabria en Italia; y Capasso, Alexander Zhu y Joon-Suh Park de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de la Universidad de Harvard.
Lininger dijo que parte del problema con las aplicaciones actuales de las metasuperficies es que su forma se fija en el punto de producción, pero "al permitir la reconfigurabilidad en la metasuperficie, estas limitaciones pueden superarse".
Capasso, quien fue pionero en el campo de la investigación de la óptica plana y en 2014 publicó por primera vez una investigación sobre metalentes, le dio crédito a Strangi por la idea de introducir cristales líquidos en las metalentes y dijo que esta innovación representa un paso hacia cosas aún más grandes.
“Nuestra capacidad para infiltrar de manera reproducible con cristales líquidos metalentes de última generación hechos de más de 150 millones de pilares de vidrio de nanoescala de diámetro para cambiar significativamente sus propiedades de enfoque es un presagio emocionante de la ciencia y la tecnología del cual que espero surja la óptica plana reconfigurable en el futuro”, dijo Capasso.
Fuente: technology.org, Case Western Reserve University