Se usar um fone de ouvido de realidade virtual ou de realidade aumentada se tornar comum, os fabricantes de hardware precisarão descobrir como tornar os dispositivos pequenos e leves e, ao mesmo tempo, garantir que suas imagens sejam nítidas e claras. Infelizmente, esta tarefa enfrenta uma limitação importante na óptica:as lentes convencionais são objetos de vidro curvos que focam diferentes comprimentos de onda de luz em diferentes locais, o que mostraria imagens desfocadas aos visualizadores. Como resultado, praticamente qualquer coisa com uma lente - de minúsculas câmeras de smartphone a projetores de grande escala - usa várias lentes, que adicionam peso, espessura e complexidade, custo crescente.

Descobrimos uma nova maneira de fabricar totalmente transparente, lentes ultracompactas capazes de focar adequadamente todas as cores do espectro no mesmo ponto. Como nossa lente compreende nanoestruturas especialmente projetadas, que não existem na natureza, para focar a luz, nós o chamamos de "meta-lente". Tem a vantagem de ser ultracompacto, ao mesmo tempo que é capaz de fornecer imagens de alta qualidade em um espectro de luz mais amplo do que a maioria das lentes tradicionais, sem a necessidade de múltiplas lentes.

Luz de curvatura

Durante séculos, a maioria das lentes para telescópios, Os vidros e outros equipamentos ópticos foram fabricados triturando o vidro em uma forma curva áspera e depois polindo-o para dobrar a luz de maneira clara e limpa. Contudo, essas lentes não conseguem focar a luz de todas as cores no mesmo ponto.

É uma propriedade básica da luz que cores diferentes - ou frequências - viajem em velocidades diferentes em uma lente. Eles não podem chegar ao mesmo ponto ao mesmo tempo, resultando em imagens desfocadas.

Para reduzir esse efeito, fabricantes de lentes comerciais constroem dispositivos ópticos complicados com muitas lentes separadas, cada um aterrado com precisão em curvas e alinhado para focar sua faixa de comprimentos de onda no lugar certo. Contudo, eles acabam com grandes, lentes pesadas e complexas - nada que seja fácil de usar confortavelmente como parte de uma experiência de RV.

O poder das nanoestruturas

Para substituir esses enormes e caros produtos de engenharia de precisão, começamos com uma folha de vidro plano regular com milímetros de espessura. Nele, colocamos uma camada de nanoestruturas retangulares cuidadosamente projetadas, um milhão de vezes mais fina que a camada de vidro, feito de dióxido de titânio, que é totalmente transparente à luz visível.

As nanoestruturas são projetadas para dobrar os raios de luz que chegam em ângulos cada vez maiores quanto mais longe elas atingem a metolente a partir de seu centro, de modo que todos os raios sejam focalizados no mesmo ponto. Para proteger as nanoestruturas no substrato de vidro, usamos litografia, uma técnica amplamente usada para produzir chips de computador em massa.

Em 2016, mostramos que o uso de vidro plano com nanoestruturas pode focar a luz de uma cor específica tão bem quanto uma lente curva tradicional. Mas nessa pesquisa, o que fizemos sofria do mesmo problema antigo do vidro curvo:cada cor focava em um local diferente. Para que nossas lentes planas formem imagens de alta qualidade, toda a luz - independentemente de sua cor - deve focar no mesmo ponto.

Incluindo todas as cores

Em nosso último trabalho, nós projetamos um conjunto mais sofisticado de nanoestruturas, que mesmo em uma superfície plana pode fazer muito mais do que uma lente curva tradicional. As nanoestruturas ainda dobram a luz em ângulos mais altos quanto mais longe do centro estão, mas com uma modificação importante inspirada por uma visão chave. Depois de sair da meta-lente, a luz tem que viajar para o ponto de foco, que está mais longe das bordas do que do centro da lente.

Para viajar uma distância maior no mesmo período de tempo, essa luz tem que viajar mais rápido. Então, construímos algumas nanoestruturas que transmitem a luz mais rapidamente, e outros que o fazem mais lentamente. Colocamos as nanoestruturas de transmissão mais rápida nas bordas da lente, então a luz viaja através deles mais rápido do que no meio. Isso ajuda efetivamente a luz das bordas da metaclente a alcançar a luz no centro, de modo que todos os raios focalizem juntos.

Esta abordagem pode ser modificada para qualquer número de situações especializadas, permitindo a construção de meta-lentes que têm uma ampla gama de propriedades, como a capacidade de afetar certas cores, mas não outras:uma nanoestrutura personalizada pode fazer esse ajuste de forma relativamente simples, sem as restrições ou complexidades de polir lentes de vidro curvas para especificações altamente precisas.

Depois de projetado, meta-lentes podem ser criadas como parte de um processo de produção em massa mais amplo:por exemplo, de fones de ouvido VR ou óculos de realidade aumentada. Eles também podem ser usados ​​no lugar de lentes de câmera de vidro fosco mais caras em smartphones e laptops, reduzindo peso, espessura e custo de dispositivos portáteis.

Pode parecer surpreendente que o desafio secular da focalização multicolorida possa ser resolvido por um pedaço fino de vidro sob nanoestruturas quase invisíveis ao olho humano. Mas de fato, a abordagem de meta-lente pode fornecer o que todas as lentes tradicionais volumosas não podem:uma imagem nítida em uma ampla gama de cores.

Este artigo foi publicado originalmente em The Conversation. Leia o artigo original.