Lentes ultrafinas que hacen visible la luz infrarroja
Los investigadores lo han conseguido utilizando un material especial para lentes de óxido metálico llamado niobato de litio y mediante un patrón a nanoescala, estampado en el material
Físicos de la ETH de Zúrich han desarrollado una lente con propiedades mágicas. Ultrafina, puede transformar la luz infrarroja en luz visible reduciendo a la mitad la longitud de onda de la luz incidente.
Las lentes son los dispositivos ópticos más utilizados. Las lentes u objetivos de las cámaras, por ejemplo, producen una foto o un vídeo nítidos dirigiendo la luz a un punto focal. La velocidad de la evolución realizada en el campo de la óptica en las últimas décadas queda ejemplificada por la transformación de las voluminosas cámaras convencionales en las compactas cámaras de los smartphones actuales.
Incluso las cámaras de alto rendimiento de los smartphones siguen necesitando una pila de objetivos que a menudo suponen la parte más gruesa del teléfono. Esta limitación de tamaño es una característica inherente al diseño clásico de los objetivos: un objetivo grueso es crucial para curvar la luz y captar una imagen nítida en el sensor de la cámara.
Los grandes avances en el campo de la óptica en los últimos diez años han tratado de superar esta limitación y han dado con una solución en forma de metalentes. Son planas, funcionan igual que las lentes normales y no sólo son 40 veces más finas que un cabello humano medio, sino también ligeras, ya que no necesitan ser de cristal.
Una metasuperficie especial compuesta por estructuras de apenas cien nanómetros de anchura y altura (un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro) modifica la dirección de la luz. Con estas nanoestructuras, los investigadores pueden reducir radicalmente el tamaño de una lente y hacerla más compacta.
Combinadas con materiales especiales, estas nanoestructuras pueden utilizarse para explorar otras propiedades inusuales de la luz. Un ejemplo es la óptica no lineal, en la que la luz pasa de un color a otro. Un bolígrafo láser verde funciona según este principio: la luz infrarroja atraviesa un material cristalino de alta calidad y genera luz de la mitad de longitud de onda, en este caso luz verde. Un material muy conocido que produce estos efectos es el niobato de litio. Se utiliza en la industria de las telecomunicaciones para crear componentes que interconectan la electrónica con las fibras ópticas.
Rachel Grange, profesora del Instituto de Electrónica Cuántica de la ETH de Zúrich, investiga la fabricación de nanoestructuras con este tipo de materiales. Ella y su equipo han desarrollado un nuevo proceso que permite utilizar el niobato de litio para crear metalentes. El estudio se ha publicado recientemente en la revista Advanced Materials.
Para su nuevo método, la física combina la síntesis química con la nanoingeniería de precisión. "La solución que contiene los precursores de los cristales de niobato de litio se puede estampar cuando aún está en estado líquido. Funciona de forma similar a la imprenta de Gutenberg", explica la coautora Ülle-Linda Talts, estudiante de doctorado que trabaja con Rachel Grange. Una vez que el material se calienta a 600 °C, adquiere propiedades cristalinas que permiten convertir la luz, como en el caso del bolígrafo láser verde.
El proceso tiene varias ventajas. Producir nanoestructuras de niobato de litio es difícil con métodos convencionales, ya que es excepcionalmente estable y duro. Según los investigadores, esta técnica es adecuada para la producción en serie, ya que un molde inverso puede utilizarse varias veces, lo que permite imprimir tantos metalenses como se necesiten. Además, es mucho más económica y rápida de fabricar que otros dispositivos ópticos miniaturizados de niobato de litio.
Lentes ultrafinas que generan nueva luz
Con esta técnica, los investigadores del grupo de Grange de la ETH consiguieron crear las primeras metalentes de niobato de litio con nanoestructuras diseñadas con precisión. Al tiempo que funcionan como lentes normales de enfoque de la luz, estos dispositivos pueden cambiar simultáneamente la longitud de onda de la luz láser. Cuando se envía luz infrarroja con una longitud de onda de 800 nanómetros a través de las metalentes, al otro lado emerge radiación visible con una longitud de onda de 400 nanómetros que se dirige a un punto determinado.
Esta magia de la conversión de la luz, como la llama Rachel Grange, sólo es posible gracias a la estructura especial del metalens ultrafino y a su composición de un material que permite que se produzca lo que se conoce como efecto óptico no lineal. Este efecto no se limita a una longitud de onda láser definida, lo que hace que el proceso sea muy versátil en una amplia gama de aplicaciones.
Desde billetes a prueba de falsificaciones hasta herramientas de microscopía de última generación
Las metalentes y otras nanoestructuras similares generadoras de hologramas podrían utilizarse como elementos de seguridad para impedir la falsificación de billetes y valores y garantizar la autenticidad de las obras de arte. Sus estructuras exactas son demasiado pequeñas para verse con luz visible, mientras que sus propiedades materiales no lineales permiten una autentificación muy fiable.
Los investigadores también pueden utilizar sencillos detectores de cámara para convertir y dirigir la emisión de luz láser para hacer visible la luz infrarroja -en sensores, por ejemplo-. O para reducir el equipo necesario para el patrón de luz ultravioleta profunda en la fabricación de productos electrónicos de última generación.
El campo de estos elementos ópticos ultrafinos, conocidos como metasuperficies, es una rama de investigación relativamente joven en la interfaz entre la física, la ciencia de los materiales y la química. "De momento sólo hemos arañado la superficie y estamos muy ilusionados por ver el impacto que tendrá en el futuro este tipo de tecnología nueva y rentable", subraya Grange.
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