Na ótica, a era das lentes de vidro pode estar chegando ao fim.

Nos últimos anos, físicos e engenheiros vêm projetando, construir e testar diferentes tipos de materiais ultrafinos que poderiam substituir as lentes de vidro grosso usadas hoje em câmeras e sistemas de imagem. Criticamente, essas lentes projetadas - conhecidas como metalenses - não são feitas de vidro. Em vez de, eles consistem em materiais construídos em escala nano em arranjos de colunas ou estruturas semelhantes a barbatanas. Essas formações podem interagir com a luz que entra, direcionando-o para um único ponto focal para fins de imagem.

Mas embora as metalenses sejam muito mais finas do que as lentes de vidro, eles ainda contam com estruturas de "alta proporção de aspecto", em que a coluna ou estruturas semelhantes a barbatanas são muito mais altas do que largas, tornando-os propensos a desmoronar e cair. Além disso, essas estruturas sempre estiveram próximas do comprimento de onda da luz com a qual estão interagindo em espessura - até agora.

Em um artigo publicado em 8 de outubro na revista Nano Letras , uma equipe da Universidade de Washington e da Universidade Nacional Tsing Hua em Taiwan anunciou que construiu metalenses funcionais que têm um décimo a metade da espessura dos comprimentos de onda de luz que focalizam. Seus metalenses, que foram construídos com materiais 2-D em camadas, eram tão finos quanto 190 nanômetros - menos de 1/100, Milésimos de polegada de espessura.

"Esta é a primeira vez que alguém mostra que é possível criar um metalens a partir de materiais 2-D, "disse a autora sênior e co-correspondente Arka Majumdar, um professor assistente UW de física e de engenharia elétrica e da computação.

Seus princípios de design podem ser usados ​​para a criação de metalenses mais complexos, recursos ajustáveis, adicionou Majumdar, que também é pesquisador docente do Instituto de Engenharia e Ciências Molecular da UW.

A equipe de Majumdar vem estudando os princípios de design de metalenses há anos, e metalenses previamente construídos para imagens em cores. Mas o desafio neste projeto era superar uma limitação de design inerente em metalenses:para que um material metalens interaja com a luz e alcance a qualidade de imagem ideal, o material tinha que ter aproximadamente a mesma espessura que o comprimento de onda da luz nesse material. Em termos matemáticos, esta restrição garante que uma faixa de mudança de fase completa de zero a dois pi seja alcançável, que garante que qualquer elemento óptico pode ser projetado. Por exemplo, um metalens para uma onda de luz de 500 nanômetros - que no espectro visual é a luz verde - precisaria ter cerca de 500 nanômetros de espessura, embora esta espessura possa diminuir à medida que o índice de refração do material aumenta.

Majumdar e sua equipe foram capazes de sintetizar metalenses funcionais que eram muito mais finos do que esse limite teórico - um décimo a metade do comprimento de onda. Primeiro, eles construíram o metalens com folhas de materiais 2-D em camadas. A equipe usou materiais 2-D amplamente estudados, como nitreto de boro hexagonal e dissulfeto de molibdênio. Uma única camada atômica desses materiais fornece uma mudança de fase muito pequena, inadequado para lentes eficientes. Então, a equipe usou várias camadas para aumentar a espessura, embora a espessura permanecesse muito pequena para atingir uma mudança de fase completa de dois pi.

"Tivemos que começar descobrindo que tipo de projeto teria o melhor desempenho dada a fase incompleta, "disse o co-autor Jiajiu Zheng, Doutoranda em Engenharia Elétrica e da Computação.

Para compensar o déficit, a equipe empregou modelos matemáticos que foram originalmente formulados para óptica de cristal líquido. Esses, em conjunto com os elementos estruturais do metalens, permitiu que os pesquisadores obtivessem alta eficiência, mesmo se toda a mudança de fase não fosse coberta. Eles testaram a eficácia do metalens usando-o para capturar diferentes imagens de teste, incluindo da Mona Lisa e uma letra de bloqueio W. A equipe também demonstrou como esticar os metalens poderia ajustar a distância focal da lente.

Além de alcançar uma abordagem totalmente nova para o design de metalens em níveis recordes, a equipe acredita que seus experimentos mostram a promessa de fazer novos dispositivos para imagem e óptica inteiramente de materiais 2-D.

"Esses resultados abrem uma plataforma inteiramente nova para estudar as propriedades de materiais 2-D, bem como a construção de dispositivos nanofotônicos totalmente funcionais feitos inteiramente desses materiais, "disse Majumdar. Além disso, esses materiais podem ser facilmente transferidos em qualquer substrato, incluindo materiais flexíveis, pavimentando um caminho para a fotônica flexível.