Físicos de la ETH Zúrich preentan en la revista Advanced Materials una lente ‘mágica’ que convierte la luz infrarroja en visible al reducir 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 fotos o vídeos nítidos al dirigir la luz a un punto focal. La rápida evolución de la óptica en las últimas décadas se ejemplifica con la transformación de las voluminosas cámaras convencionales en las compactas cámaras de los smartphones actuales.
Incluso las cámaras de ‘smartphones’ de alto rendimiento siguen requiriendo un conjunto de lentes que, a menudo, ocupan la parte más gruesa del teléfono. Esta limitación de tamaño es una característica inherente al diseño clásico de lentes: una lente gruesa es crucial para desviar la luz y capturar una imagen nítida en el sensor de la cámara.
Los grandes avances en el campo de la óptica en los últimos 10 años han buscado superar esta limitación y han encontrado una solución: las metalentes. Son planas, funcionan igual que las lentes normales y no solo son 40 veces más delgadas que un cabello humano promedio, sino que también son ligeras, ya que no necesitan estar hechas de vidrio.
Una metasuperficie especial compuesta por estructuras de tan solo cien nanómetros de ancho y alto (un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro) modifica la dirección de la luz. Utilizando estas nanoestructuras, los investigadores pueden reducir radicalmente el tamaño de una lente y hacerla más compacta, informa ETH Zurich.
Al combinarse con materiales especiales, estas nanoestructuras pueden utilizarse para explorar otras propiedades inusuales de la luz. Un ejemplo es la óptica no lineal, donde la luz se convierte de un color a otro.
Un puntero láser verde funciona según este principio: la luz infrarroja atraviesa un material cristalino de alta calidad y genera luz de la mitad de la longitud de onda; en este caso, luz verde. Un material conocido que produce estos efectos es el niobato de litio. Este se utiliza en la industria de las telecomunicaciones para crear componentes que conectan 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 estos materiales. Ella y su equipo han desarrollado un nuevo proceso que permite utilizar el niobato de litio para crear metalentes.
FUNCIONA DE FORMA SIMILAR A LA IMPRENTA DE GUTENBERG
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 mientras aún está en estado líquido. Funciona de forma similar a la imprenta de Gutenberg", explica la coautora principal, 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 la conversión de la luz, como en el caso del bolígrafo láser verde.
El proceso presenta varias ventajas. Producir nanoestructuras de niobato de litio es difícil con los métodos convencionales, debido a su excepcional estabilidad y dureza. Según los investigadores, esta técnica es adecuada para la producción en masa, ya que un molde inverso puede utilizarse varias veces, lo que permite imprimir tantas metalentes como se necesiten. Además, es mucho más rentable y rápida de fabricar que otros dispositivos ópticos miniaturizados de niobato de litio.
Utilizando esta técnica, los investigadores de la ETH del grupo de Grange lograron crear las primeras metalentes de niobato de litio con nanoestructuras diseñadas con precisión. Si bien funcionan como lentes de enfoque de luz normales, 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 la metalente, la radiación visible con una longitud de onda de 400 nanómetros emerge por el otro lado y se dirige a un punto designado.
MAGIA
Esta magia de la conversión de la luz, como la llama Rachel Grange, solo es posible gracias a la estructura especial de las metalentes ultrafinas y a su composición de un material que permite la aparición de 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.