Metassuperfícies ativas, cujas propriedades ópticas podem ser ajustadas após a fabricação, tornaram-se uma área de interesse nos últimos anos. No entanto, os esforços até o momento ainda enfrentam limitações de desempenho severas na faixa de sintonia, qualidade óptica e eficiência, especialmente para dispositivos não mecânicos.
Os engenheiros do Instituto de Tecnologia de Massachusetts desenvolveram "lentes de metal" adaptáveis que podem fornecer um foco mais eficiente das lentes de câmeras, microscópios, telescópios e outros sistemas de imagem sem o uso de mecanismos de acionamento volumosos.
O vidro transparente com duas superfícies polidas refratárias à luz tem sido a base da maioria dos sistemas ópticos por muitos séculos. O grau de concavidade ou convexidade das superfícies da lente permite que você veja todos os tipos de objetos, desde uma pequena célula até uma galáxia distante. Porém, para obter uma imagem nítida de objetos de qualquer escala, é necessário recorrer ao movimento físico da lente por meio de mecanismos adicionais que ocupam muito espaço e tornam o dispositivo mais pesado, seja uma câmera, um microscópio ou um telescópio.
Os pesquisadores gravaram a superfície do material com estruturas minúsculas e precisamente padronizadas que funcionam juntas como uma metassuperfície, refratando ou refletindo a luz de uma maneira única. Quando as propriedades do material mudam, a função óptica da metassuperfície muda de acordo. Nesse caso, quando o material está em temperatura ambiente, a metassuperfície focaliza a luz para criar uma imagem nítida do objeto a uma certa distância. Depois de aquecer o material, sua estrutura atômica muda e, em resposta, a metassuperfície redireciona a luz para se concentrar em um objeto mais distante.
Assim, a nova lente de metal ativo pode ajustar o foco sem a necessidade de elementos mecânicos volumosos. O novo design, que atualmente permite imagens infravermelhas, pode permitir dispositivos ópticos mais flexíveis, como câmeras térmicas em miniatura para drones, câmeras térmicas ultracompactas para telefones celulares e óculos de visão noturna de baixo perfil.
Transições de fase
A nova lente é feita de um material de mudança de fase que a equipe fez personalizando o material comumente usado em CDs e DVDs regraváveis. Chamado GST, é composto de germânio, antimônio e telúrio, e sua estrutura interna muda de cristalina para amorfa, de transparente para opaca quando aquecida por pulsos de laser. São essas transições de fase que possibilitam a criação de mídias de gravação ótica reversíveis. Este mecanismo permite gravar, apagar e sobrescrever dados armazenados em CDs.
Mudança na distância focal no estado amorfo e cristalino do material
Os engenheiros então adicionaram selênio à estrutura do GST, resultando no GSST. Na versão atualizada, a transição de fase também influenciou a interação do metamaterial com a luz infravermelha, transformando seu poder reflexivo com impacto mínimo na transparência da superfície. Observando as propriedades incomuns do GSST, os pesquisadores pensaram que ele poderia ser adaptado para criar um "metalens" ativo que pode adaptar seu comprimento focal dependendo da fase.
GSST sob o microscópio
Em testes de laboratório, os engenheiros produziram uma camada de GSST com apenas 1 mícron de espessura e experimentaram diferentes formas de material para encontrar a opção ideal que pudesse mudar a maneira como ele interage com a luz, dependendo da temperatura. As "lentes de metal" da GSST foram colocadas em uma plataforma de teste com um laser ajustado para emitir luz na faixa do infravermelho. A alguma distância da instalação, os engenheiros colocaram placas transparentes com pinceladas horizontais e verticais de alto contraste aplicadas a elas - os chamados objetos de teste para avaliar a resolução de sistemas optoeletrônicos digitais.
No estado amorfo inicial, os "metalens" focalizavam facilmente a placa mais próxima. Os cientistas então aqueceram o metamaterial para que adquirisse uma estrutura cristalina clara e se concentrasse em um objeto de teste mais distante. Até agora, o material incomum demonstra a capacidade de capturar imagens nítidas em dois níveis de profundidade de campo sem o uso de acionamentos mecânicos. No futuro, os pesquisadores planejam expandir a gama de fases do material GSST, a fim de aumentar a capacidade de foco dos "metalens". Um dos engenheiros comparou o processo de mudança das fases em materiais semelhantes ao do cozimento de um bife. A carne não pode ser apenas crua ou frita: existem muitos estados intermediários - você só precisa encontrar uma maneira de alcançá-los e fixar o resultado.
Experimentos mostram que as lentes de metal podem mudar ativamente o foco sem nenhum movimento mecânico. Os pesquisadores dizem que as lentes de metal podem ser feitas com micro-aquecedores embutidos para aquecer rapidamente o material em pulsos curtos de milissegundos. Ao alterar as condições de aquecimento, eles também podem ser sintonizados em estados intermediários de outros materiais, fornecendo ajuste de foco contínuo.
Mais detalhes: www.nature.com/articles/s41467-021-21440-9