As metalentes – superfícies planas, adaptáveis e ultrafinas que utilizam nanoestruturas para focar a luz – prometem revolucionar a óptica, substituindo as volumosas lentes de vidro curvas e abrindo a porta para a miniaturização de dispositivos móveis, como telefones celulares e displays portáteis.

Porém há um desafio: fazer com que essas metalentes consigam lidar com a combinação de todas as cores do espectro. Isso é algo difícil porque cada comprimento de onda se move através dos materiais em velocidades diferentes. Por exemplo, os comprimentos de onda vermelhos, movem-se através do vidro mais rapidamente que o azul, de forma que as duas cores não alcançam o ponto focal ao mesmo tempo, resultando em focos diferentes. Isso cria distorções de imagem conhecidas como aberrações cromáticas.

Esse desafio foi alcançado. Pesquisadores de Harvard, da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson (SEAS) desenvolveram a primeira metalente capaz de focar todo o espectro visível da luz – incluindo a luz branca.

O dispositivo real, no qual as metalentes adaptativas (centro) são controladas por eletrodos embutidos feitos de nanotubos de carbono. Crédito: Alan She/ Harvard SEAS

Essa nova metalente pode controlar eletronicamente e ao mesmo tempo o foco, o astigmatismo e a mudança de imagem (três das principais causas de imagens embaçadas) em tempo real, coisa que o olho humano (e os óculos) não pode fazer. Mesmo nas lentes de vidro convencionais, isso só é conseguido quando se empilha múltiplas lentes, o que explica o enorme tamanho das lentes de câmeras, microscópios e telescópios.

A pesquisa foi publicada na Science Advances. Em outro artigo na Optics Express, os pesquisadores revelaram o design das metalentes.* Isso permite unificar duas indústrias: a de semicondutores e a de fabricação de lentes. Portanto, a mesma tecnologia utilizada para fazer chips para computadores será usada para criar componentes ópticos baseados em metassuperfície, como lentes.

A nova metalente

Com apenas 30 micrômetros de espessura, a nova metalente consegue com movimentos laterais, fazer ajustes no zoom óptico, foco automático e estabilização de imagem. Isso possibilita substituir as pesadas lentes de sistemas ópticos usados ​​em óculos, câmeras, celulares e dispositivos de realidade virtual e aumentada.

A nova metalente de amplo espectro usa matrizes de nanoestruturas de dióxido de titânio para focar igualmente os comprimentos de onda da luz e eliminar a aberração cromática.

As metalentes adaptativas (à direita) focalizam os raios de luz em um sensor de imagem (à esquerda). Um sinal elétrico controla o formato das metalentes para que produzam padrões desejados de ondas ópticas (mostradas em vermelho), resultando em melhores imagens. Crédito: Alan She / Harvard SEAS

Wei Ting Chen, líder da pesquisa, revela que criou unidades de nanofios emparelhados – chamadas de nanobarbatanas – as quais controlam simultaneamente a velocidade de diferentes comprimentos de onda da luz. As estruturas emparelhadas controlam o índice de refração da metassuperfície e são ajustadas para induzir diferentes retardos de tempo nos feixes de luz de cada cor, garantindo que todos os comprimentos de onda atinjam o ponto focal ao mesmo tempo.

Combinando duas nanobarbatanas em um elemento, podemos ajustar a velocidade da luz no material nanoestruturado, para garantir que todos os comprimentos de onda no visível sejam focalizados no mesmo ponto, usando uma única metalente. Isso reduz dramaticamente a espessura e a complexidade do projeto em comparação com lentes acromáticas padrão feitas de compósitos.” – Professor Federico Capasso, coordenador da equipe.

Simulando a lente do olho humano e os músculos ciliares

O olho humano é constituído por uma lente biconvexa (o cristalino), que fica situada na região anterior ao globo ocular. No fundo do globo ocular, está a retina, que é sensível à luz e serve de anteparo para as imagens. As sensações luminosas, após serem captadas e projetadas sobre a retina, são enviadas ao cérebro pelo nervo óptico.

Essa lente do olho humano é cercada pelo músculo ciliar, que ao esticar ou comprimir a lente, controla a acomodação do olho para que possamos visualizar os objetos em várias distâncias. Para simular essa função, os pesquisadores aderiram a metalente a um fino e transparente atuador elastômero dielétrico (“músculo artificial”). Foi escolhido um elastômero dielétrico de baixa perda – o que significa que a luz viaja através do material com pouca dispersão – para fixar a lente.

Próximo passo

O próximo passo consiste em melhorar ainda mais a funcionalidade da lente e ampliá-la para que atinja a dimensão de pelo menos 1 cm de diâmetro. Essa dimensão ampliada será suficiente para diversas possibilidades de aplicação, como na realidade virtual e na realidade aumentada.

* Para construir o olho artificial com metalentes maiores (e mais funcionais), os pesquisadores tiveram que desenvolver um novo algoritmo para diminuir o tamanho do arquivo, tornando-o compatível com a tecnologia atualmente utilizada para fabricar circuitos integrados.

Fonte: The Harvard Gazette

Crédito da imagem da capa: Harvard / SEAS