Metalenses - superfícies planas que usam nanoestruturas para focar a luz - prometem revolucionar a ótica substituindo as volumosas, lentes curvas usadas atualmente em dispositivos ópticos com um simples, superfície plana. Mas, essas metalenses permaneceram limitadas no espectro de luz que podem focalizar bem. Agora, uma equipe de pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson desenvolveu a primeira lente única que pode focalizar todo o espectro visível de luz - incluindo luz branca - no mesmo ponto e em alta resolução. Isso só foi alcançado em lentes convencionais com o empilhamento de várias lentes.

A pesquisa é publicada em Nature Nanotechnology .

Focar todo o espectro visível e luz branca - combinação de todas as cores do espectro - é tão desafiador porque cada comprimento de onda se move através dos materiais em velocidades diferentes. Comprimentos de onda vermelhos, por exemplo, se moverá através do vidro mais rápido do que o azul, portanto, as duas cores atingirão o mesmo local em momentos diferentes, resultando em focos diferentes. Isso cria distorções de imagem conhecidas como aberrações cromáticas.

Câmeras e instrumentos ópticos usam múltiplas lentes curvas de diferentes espessuras e materiais para corrigir essas aberrações, que, claro, adiciona à maior parte do dispositivo.

"As Metalenses têm vantagens sobre as lentes tradicionais, "diz Federico Capasso, o Professor Robert L. Wallace de Física Aplicada e Vinton Hayes Pesquisador Sênior em Engenharia Elétrica no SEAS e autor sênior da pesquisa. "Metalenses são finos, fácil de fabricar e de baixo custo. Essa descoberta estende essas vantagens a toda a faixa visível de luz. Este é o próximo grande passo. "

O Harvard Office of Technology Development (OTD) protegeu a propriedade intelectual relativa a este projeto e está explorando oportunidades de comercialização.

As metalenses desenvolvidas por Capasso e sua equipe usam matrizes de nanofins de dióxido de titânio para focar igualmente os comprimentos de onda da luz e eliminar a aberração cromática. Pesquisas anteriores demonstraram que diferentes comprimentos de onda de luz podem ser focados, mas em distâncias diferentes, otimizando a forma, largura, distância, e altura dos nanofins. Neste projeto mais recente, os pesquisadores criaram unidades de nanofins emparelhados que controlam a velocidade de diferentes comprimentos de onda da luz simultaneamente. Os nanofins emparelhados controlam o índice de refração na metassuperfície e são ajustados para resultar em diferentes atrasos para a luz que passa por diferentes aletas, garantindo que todos os comprimentos de onda alcancem o ponto focal ao mesmo tempo.

"Um dos maiores desafios no projeto de uma lente acromática de banda larga é garantir que os comprimentos de onda de saída de todos os diferentes pontos do metalens cheguem ao ponto focal ao mesmo tempo, "disse Wei Ting Chen, um pós-doutorado na SEAS e primeiro autor do artigo. "Ao combinar dois nanofins em um elemento, podemos ajustar a velocidade da luz no material nanoestruturado, para garantir que todos os comprimentos de onda no visível estejam focados no mesmo ponto, usando um único metalens. Isso reduz drasticamente a espessura e a complexidade do design em comparação com as lentes acromáticas padrão compostas. "

"Usando nossas lentes acromáticas, somos capazes de realizar alta qualidade, imagem de luz branca. Isso nos deixa um passo mais perto do objetivo de incorporá-los em dispositivos ópticos comuns, como câmeras, "disse Alexander Zhu, co-autor do estudo.

Próximo, os pesquisadores pretendem ampliar as lentes, a cerca de 1 cm de diâmetro. Isso abriria uma série de novas possibilidades, como aplicativos em realidade virtual e aumentada.