Lent òptica a partir de materials 2D.

https://3c1703fe8d.site.internapcdn.net/newman/csz/
news/800/2018/3-scientistsen.jpg

En els últims anys, els físics i els enginyers han estat dissenyant, construint i provant diferents tipus de materials ultrafins que podrien substituir les lents gruixudes de vidre que s'utilitzen avui en les  càmeres i sistemes d'imatges.

Aquestes lents d'enginyeria, conegudes com metalents, no estan fetes de vidre. En comptes d'això, consisteixen en un materials construït a nivell de nano-escala en matrius de columnes o estructures semiprecioses. Aquestes formacions poden interactuar amb la llum que entra, dirigint-la cap a un únic punt focal.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/
5/5b/Diamond_cuboctahedron.jpg/260px-Diamond_cuboctahedron.jpg

Però tot i que les metalensts són molt més primes que les lents de vidre, encara es conformen en estructures d'altes proporcions, en què la columna o les estructures semiprecioses són molt més altes que amples. A més, aquestes estructures sempre han estat a prop de la longitud d'ona de la llum que interactua amb el gruix.

En un article publicat el darrer Octubre a la revista Nano Letters, un equip de la Universitat de Washington i la Universitat Nacional Tsing Hua de Taiwan van anunciar que ha construït metalents funcionals que són una desena part de la meitat del gruix de les longituds d'ona de llum. Aquestes metalents,  van ser construïdes en capes de materials 2-D, eren tan primes com 190 nanometres.

Aquesta és la primera vegada que s'ha demostrat que és possible crear materials metàl·lics de 2D. Els seus principis del disseny es poden utilitzar per a la creació de metàl·lics amb característiques més complexes i sintonitzables.

Una lletra de bloc W representada per tres prototipus diferents de metallents (A, B i C) utilitzant diferents models matemàtics - tant sense (a l'esquerra) com amb (correcte) postprocessament computacional. Font: Liu et al., Nano Letters, 2018

https://media.springernature.com/full/springer-static/image/
art%3A10.1038%2Fs41377-018-0058-1/
MediaObjects/41377_2018_58_Fig1_HTML.png

L'equip de Majumdar ha estat estudiant els principis de disseny de metalents durant anys, i anteriorment va construir metalents per a imatges a tot color. Però el repte en aquest projecte era superar una limitació de disseny inherent a les metalents: per tal que un material metàl·lic interactués amb la llum i aconseguís una qualitat d'imatge òptima, el material havia de ser d'aproximadament del mateix gruix que la longitud d'ona de la llum en aquest material. En termes matemàtics, aquesta restricció garanteix que es pot assolir un rang de canvi de fase des de zero a dos-pi, el que garanteix que es pugui dissenyar qualsevol element òptic. Per exemple, un metall per una ona de 500 nanòmetres, que en l'espectre visual correspont al color verd, hauria de tenir uns 500 nanòmetres de gruix, tot i que aquest gruix pot disminuir a mesura que augmenta l'índex de refracció del material.

Majumdar i el seu equip van poder sintetitzar metalents funcionals que eren molt més primes que aquest límit teòric, una desena part a la meitat de la longitud d'ona. En primer lloc, van construir els metalls dels fulls de materials 2-D en capes. L'equip va utilitzar materials 2-D estudiats àmpliament, com ara el nitruro de bor i el disulfur de molibdè. Una única capa atòmica d'aquests materials proporciona un canvi de fase molt reduït, inadequat per a una lentificació eficient. Així, l'equip va utilitzar diverses capes per augmentar el gruix, tot i que el gruix era massa petit per aconseguir un canvi de fase complet de dos-pi.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/
9a/Nikkor_28-200_zoom.jpg/1200px-Nikkor_28-200_zoom.jpg

S'ha hagut de començar per esbrinar quin tipus de disseny donarien el millor rendiment donada la fase incompleta. Per resoldre aquest dèficit, l'equip va emprar models matemàtics que van ser formulats originalment per a l'òptica del cristall líquid. Aquests, juntament amb els elements estructurals metàl·lics, van permetre als investigadors assolir una alta eficiència tot i que no es tractés tot el canvi de fase. Van provar l'eficàcia dels metàl·lics utilitzant-la per capturar diferents imatges de prova, incloent-hi la Mona Lisa i la lletra  W. L'equip també va demostrar que l'estirament dels metalls podria ajustar la distància focal de la lent.

A més d'aconseguir un enfocament totalment nou del disseny de metalls a nivells reduïts, l'equip considera que els seus experiments demostresn que es poden fer que els nous dispositius per a la imatge i l'òptica, siguin totalment de materials 2D.

Aquests resultats obren una plataforma completament nova per estudiar les propietats dels materials 2D, així com la construcció de dispositius nanopotònics totalment funcionals fets completament a partir d'aquests materials. A més, aquests materials es poden transferir fàcilment sobre qualsevol substrat, inclosos els materials flexibles, pavimentant un camí cap a la fotònica flexible.

Font: Universitat de Washington