O vidro polido está no centro dos sistemas de imagem há séculos. Sua curvatura precisa permite que as lentes focalizem a luz e produzam imagens nítidas, se o objeto em vista é uma única célula, a página de um livro, ou uma galáxia distante.

Mudar o foco para ver claramente em todas essas escalas normalmente requer o movimento físico de uma lente, inclinando, deslizando, ou mudando de outra forma a lente, geralmente com a ajuda de peças mecânicas que aumentam o volume de microscópios e telescópios.

Agora, os engenheiros do MIT fabricaram um "metalens" ajustável que pode focar em objetos em várias profundidades, sem mudanças em sua posição física ou forma. A lente não é feita de vidro sólido, mas de um material transparente de "mudança de fase" que, após o aquecimento, pode reorganizar sua estrutura atômica e, assim, mudar a maneira como o material interage com a luz.

Os pesquisadores gravaram a superfície do material com minúsculos, estruturas precisamente padronizadas que funcionam juntas como uma "metassuperfície" para refratar ou refletir a luz de maneiras únicas. Conforme a propriedade do material muda, a função óptica da metassuperfície varia de acordo. Nesse caso, quando o material está à temperatura ambiente, a metassuperfície focaliza a luz para gerar uma imagem nítida de um objeto a uma certa distância. Depois que o material é aquecido, sua estrutura atômica muda, e em resposta, a metassuperfície redireciona a luz para focar em um objeto mais distante.

Desta maneira, os novos "metalens" ativos podem ajustar seu foco sem a necessidade de elementos mecânicos volumosos. O novo design, que atualmente imagens dentro da banda infravermelha, pode permitir dispositivos ópticos mais ágeis, como escopos de calor em miniatura para drones, câmeras térmicas ultracompactas para telefones celulares, e óculos de visão noturna discretos.

"Nosso resultado mostra que nossas lentes sintonizáveis ​​ultrafinas, sem partes móveis, pode obter imagens livres de aberrações de objetos sobrepostos posicionados em diferentes profundidades, rivalizando com o tradicional, sistemas ópticos volumosos, "diz Tian Gu, um cientista pesquisador no Laboratório de Pesquisa de Materiais do MIT.

Gu e seus colegas publicaram seus resultados hoje na revista Nature Communications . Seus co-autores incluem Juejun Hu, Mikhail Shalaginov, Yifei Zhang, Fan Yang, Peter Su, Carlos Rios, Qingyang Du, e Anuradha Agarwal no MIT; Vladimir Liberman, Jeffrey Chou, e Christopher Roberts do MIT Lincoln Laboratory; e colaboradores da Universidade de Massachusetts em Lowell, a University of Central Florida, e Lockheed Martin Corporation.

Um ajuste de material

A nova lente é feita de um material de mudança de fase que a equipe fabricou ajustando um material comumente usado em CDs e DVDs regraváveis. Chamado GST, compreende germânio, antimônio, e telúrio, e sua estrutura interna muda quando aquecida com pulsos de laser. Isso permite que o material alterne entre os estados transparente e opaco - o mecanismo que permite que os dados armazenados em CDs sejam gravados, apagado, e reescrito.

No início deste ano, os pesquisadores relataram adicionar outro elemento, selênio, à GST para fazer um novo material de mudança de fase:GSST. Quando eles aqueceram o novo material, sua estrutura atômica mudou de um amorfo, emaranhado aleatório de átomos para um mais ordenado, estrutura cristalina. Esta mudança de fase também mudou a forma como a luz infravermelha viajava através do material, afetando o poder de refração, mas com impacto mínimo na transparência.

A equipe se perguntou se a capacidade de comutação do GSST poderia ser adaptada para direcionar e focar a luz em pontos específicos, dependendo de sua fase. O material então poderia servir como uma lente ativa, sem a necessidade de peças mecânicas para mudar seu foco.

"Em geral, quando se faz um dispositivo óptico, é muito desafiador ajustar suas características pós-fabricação, "Shalaginov diz." É por isso que ter este tipo de plataforma é como um Santo Graal para engenheiros ópticos, que permite [o metalens] mudar o foco de forma eficiente e em um amplo intervalo. "

Na berlinda

Em lentes convencionais, o vidro é curvado com precisão para que o feixe de luz que entra refrate a lente em vários ângulos, convergindo em um ponto a uma certa distância, conhecido como comprimento focal da lente. As lentes podem então produzir uma imagem nítida de quaisquer objetos a essa distância específica. Para imagens de objetos em uma profundidade diferente, a lente deve ser movida fisicamente.

Em vez de depender da curvatura fixa de um material para direcionar a luz, os pesquisadores procuraram modificar metalens baseados em GSST de uma forma que o comprimento focal muda com a fase do material.

Em seu novo estudo, eles fabricaram uma camada de GSST com 1 mícron de espessura e criaram uma "metassuperfície" gravando a camada de GSST em estruturas microscópicas de várias formas que refratam a luz de maneiras diferentes.

"É um processo sofisticado de construir a meta-superfície que alterna entre diferentes funcionalidades, e requer uma engenharia criteriosa de que tipo de formas e padrões usar, "Gu diz." Sabendo como o material vai se comportar, podemos projetar um padrão específico que se concentrará em um ponto do estado amorfo, e mudar para outro ponto na fase cristalina. "

Eles testaram os novos metalens colocando-os em um palco e iluminando-os com um feixe de laser sintonizado na faixa infravermelha de luz. Em certas distâncias na frente da lente, eles colocaram objetos transparentes compostos de padrões de dupla face de barras horizontais e verticais, conhecidos como gráficos de resolução, que são normalmente usados ​​para testar sistemas ópticos.

As lentes, em sua inicial, estado amorfo, produziu uma imagem nítida do primeiro padrão. A equipe então aqueceu as lentes para transformar o material em uma fase cristalina. Após a transição, e com a fonte de aquecimento removida, a lente produziu uma imagem igualmente nítida, desta vez do segundo, mais longe conjunto de barras.

"Demonstramos imagens em duas profundidades diferentes, sem nenhum movimento mecânico, "Shalaginov diz.

Os experimentos mostram que um metalens pode mudar ativamente o foco sem quaisquer movimentos mecânicos. Os pesquisadores dizem que um metalens poderia ser potencialmente fabricado com microaquecedores integrados para aquecer rapidamente o material com pulsos curtos de milissegundos. Ao variar as condições de aquecimento, eles também podem sintonizar os estados intermediários de outros materiais, permitindo o ajuste focal contínuo.

"É como cozinhar um bife - começa-se com um bife cru, e pode ir até bem passado, ou poderia fazer mal passado, e qualquer outra coisa entre, "Shalaginov diz." No futuro, esta plataforma única nos permitirá controlar arbitrariamente a distância focal dos metalens. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.