Una nueva generación de lentes ha venido cobrando forma en los laboratorios de universidades y empresas de todo el mundo. Se trata de las llamadas metalentes, películas de silicio mil veces más delgadas que una hoja de papel, que cumplen la misma función que las lentes convencionales de vidrio o plástico, pero con un control de la luz mucho más preciso. A medida que se avance, las también denominadas metasuperficies ópticas podrán sustituir a las lentes en las cámaras de los teléfonos móviles, microscopios, endoscopios (aparatos médicos que generan imágenes del interior del cuerpo), gafas de realidad virtual y telescopios.
En la Escuela de Ingeniería de São Carlos de la Universidad de São Paulo (EESC-USP), Emiliano Rezende Martins y su colaborador, Ben-Hur Viana Borges, ambos ingenieros electricistas, desarrollan prototipos de metalentes que combinan más de una propiedad óptica deseable, como un amplio campo de visión y un enfoque preciso en una misma superficie, algo que en la actualidad solo es posible combinando más de una lente de vidrio o plástico.
Rezende Martins sabe que aún deberá superar diversos retos para que sean funcionales. Uno de los principales es conseguir que el diámetro de las metalentes sea mayor que algunas centenas de micrones (un micrón equivale a una milésima de milímetro) y, al mismo tiempo, puedan enfocar más de un color sin que se produzca una distorsión de la imagen, un fenómeno que se conoce como aberración cromática. En las lentes curvas convencionales, la aberración cromática puede controlarse superponiendo más de una lente, como ocurre en las cámaras de los teléfonos móviles.
En colaboración con investigadores chinos, el grupo de São Carlos estudia una alternativa para solucionar este problema mediante la creación de un prototipo de metalente que enfoca los objetos en tres colores: rojo, verde y azul, el conocido estándar RGB (en inglés, red, green y blue), que capta imágenes digitales en color. El dispositivo fue diseñado con la ayuda del equipo brasileño y fabricado en China, debido a cuestiones de disponibilidad de equipos.
Una propiedad fundamental de estas lentes es su apertura numérica, que se refiere a la razón entre el radio de la zona que capta la luz y la distancia focal. Cuanto mayor es esta apertura, también lo es la resolución de la lente. Para una lente inmersa en aire, la mayor apertura numérica posible es 1. Uno de los grandes desafíos en el campo de las metalentes consiste en lograr grandes aperturas para lentes de gran diámetro. El prototipo del grupo de São Carlos posee una apertura numérica de 0,8, con tan solo 1,8 micrones de grosor (unas 50 veces más delgada que el diámetro de un cabello), y un diámetro de 1 milímetro (mm), “diez veces más grande que los prototipos obtenidos por otros grupos”, resalta Rezende Martins, uno de los autores de un artículo publicado en mayo de 2022 en la revista NanoLetters.
Los resultados son fruto de dos innovaciones que introdujo el grupo. La primera es que la metalente tiene dos capas, en lugar de tres, como las de otros grupos, por lo que su fabricación sería algo menos compleja. Está compuesta de materiales y espesores diferentes para facilitar el paso de la luz: una superior de nitrato de silicio, con un grosor de 600 nanómetros (nm; un nanómetro equivale a una millonésima de milímetro), y otra inferior de silicio cristalino, de 400 nm de espesor.
La segunda innovación consistió en la adopción de dos formatos diferentes de nanocolumnas –cuadradas y circulares– en lugar de un único tipo. Las nanocolumnas son estructuras que controlan el paso de la luz, que tan solo pueden visualizarse mediante microscopios electrónicos de barrido. Las nanocolumnas más cercanas al centro de la metalente retrasan el avance de la luz y consiguen que esta incida sobre el foco en simultáneo con la procedente de la región periférica, que debe viajar algo más.
“Podemos imaginar que la metalente es una avenida plana”, compara Rezende Martins. “La luz que la atravesará estaría repartida en vehículos que viajan a velocidades diferentes. Las nanocolumnas funcionan como barreras que ralentizan a los más veloces y luego los liberan, logrando que todos arriben simultáneamente al sitio deseado”.
Es el mismo principio de las lentes convencionales, que conforme al material y la curvatura, hacen que los rayos de luz procedentes de diversas regiones de la lente se encuentren en un mismo punto y configuren el foco de la imagen. Las nanocolumnas controlan la luz con precisión por tener las mismas dimensiones o incluso menores que las longitudes de las ondas lumínicas. Dependiendo de su aplicación, podrían modificar, de maneras diferentes, las propiedades de la onda. “También aumentamos la cantidad de nanocolumnas y, de esta manera, combinamos el atraso de las ondas en tres colores diferentes”, explica Rezende Martins.
Según él, como las capas de los metalentes suelen tallarse en las superficies de silicio mediante una técnica denominada litografía por haces de electrones, apilar más de una capa requiere una gran precisión y difícilmente podría ser un proceso automatizado. Lo más sencillo es fabricar metalentes de una sola capa, lo que por ahora solo es posible para lentes que enfocan tan solo un color.
“El grupo de São Carlos obtuvo un buen resultado para las tres bandas de colores que prácticamente cubren todo el espectro visible de la luz en un área relativamente amplia comparada con lo que existía”, dice el ingeniero electricista Hugo Enrique Hernández Figueroa, de la Universidad de Campinas (Unicamp), quien no participó del estudio.
En otro proyecto, el grupo de São Carlos diseñó un prototipo de metalente monocromática, con una capa de silicio. Esta lente puede generar imágenes de alta resolución, solamente en color verde, con un bajo campo de visión o, por el contrario, de baja resolución y alto campo de visión.
Léo Ramos Chaves / Revista Pesquisa FAPESPModelo de metalente de 20 cm de diámetro fabricada en plástico, utilizada para estudiar el efecto de los nanopostes (en lila) sobre las ondas electromagnéticasLéo Ramos Chaves / Revista Pesquisa FAPESP
“Las metalentes son capaces de combinar dos o más funciones en forma única merced a un control preciso de las propiedades de la luz”, dice el ingeniero electricista Augusto Martins, autor principal de un artículo que salió publicado en marzo de 2022 en la revista Advanced Opticals Materials. Parte de su doctorado, concluido en 2021 en la EESC-USP, lo realizó en la Universidad de York (Reino Unido), donde construyó el prototipo de esta metalente. Por su tesis doctoral, se hizo acreedor al Premio Capes 2022 en el área de ingeniería IV.
El formato original de las nanocolumnas – en este caso, elípticas – le permitió a la metalente oscilar entre el mayor campo de visión o el mejor enfoque y resolución, como resultado del uso de un filtro (o polarizador) para cada caso. Una de sus posibles aplicaciones sería en endoscopios, que podrían regularse para reproducir detalles del interior del organismo examinado. Según Rezende Martins, uno de los autores del estudio, estos dispositivos podrían tener dimensiones bastante menores a las actuales si se les pudiera añadir una única película de metalente.
También existen metalentes para aparatos mayores. En diciembre de 2022, investigadores de la Universidad de Pensilvania publicaron en la revista NanoLetters una imagen monocromática de las estructuras de la Luna obtenida con un prototipo de un telescopio cuyo objetivo, que amplía la imagen, estaba constituido por una sola lente ultradelgada de 8 centímetros de diámetro, que enfoca solamente en una longitud de onda, el infrarrojo.
“Las aplicaciones de las metalentes que requieren tan solo un color, utilizadas para la detección 3D del entorno, como las cámaras de reconocimiento facial o las de los vehículos autónomos, avanzarán más rápidamente que las que requieren varios colores, como las fotográficas de los teléfonos móviles”, comenta Augusto Martins. Las metalentes de capa única podrían producirse con el mismo proceso de fabricación de los dispositivos electrónicos, lo que permitiría integrarlas más fácilmente a estos aparatos”, añade Rezende Martins.
“Las metalentes son una evolución de las lentes convencionales”, dice el físico Jarbas Caiado de Castro Neto, del Instituto de Física de São Carlos (IFSC) de la USP, quien no participó en los estudios de la EESC. “Si la investigación en este campo sigue avanzando, una de sus ventajas principales será una reducción significativa en los costos de producción de los dispositivos electrónicos, ya que se podrán reemplazar varias lentes por una sola película”. Castro Neto es uno de los socios fundadores de la empresa Opto Eletrônica, con sede en esa ciudad del interior paulista, que desarrolla componentes e instrumentos ópticos para los sectores médico, industrial y aeroespacial.
Proyectores para reconocimiento facial
En mayo de 2021, la
startup Metalenz, con sede en la ciudad de Boston (EE. UU.), fundada por el físico italoestadounidense Federico Capasso, de la Universidad Harvard, uno de los mayores expertos en metasuperficies ópticas, anunció en su sitio web el lanzamiento de una familia de proyectores de reconocimiento facial para teléfonos móviles, entre otras aplicaciones.
En los proyectores, una metalente única sustituye hasta seis piezas ópticas, entre ellas cuatro lentes refractivas convencionales que alinean la luz infrarroja emitida para el reconocimiento facial. “El anuncio de la empresa de Capasso constituye un ejemplo cabal de los que las metalentes son capaces de hacer: combinar diversos elementos ópticos en una lámina única”, dijo Martins.
En septiembre de 2022, Metalenz informó de un convenio con la empresa STMicroelectronics, fabricante de semiconductores francoitaliana con sede en Ginebra (Suiza), para la producción de sistemas de sensores de detección para el reconocimiento facial en teléfonos inteligentes. Las metalentes se fabricarán en discos de silicio junto con los demás componentes electrónicos en una única línea de producción.
Proyectos
1. Metasuperficies para la generación de imágenes y la teledetección (nº 20/00619-4); Modalidad Ayuda de Investigación ‒ Regular; Investigador responsable Emiliano Rezende Martins; Inversión R$ 69.209,35.
2. Metasuperficies totalmente dieléctricas fuertemente resonantes basadas en modos cuasi oscuros y toroidales (nº 21/06506-0); Investigador responsableHugo Enrique Hernández Figueroa; Inversión R$ 246.276,88.
Artículos científicos
FENG, W. et al. RGB achromatic metalens doublet for digital imaging. NanoLetters. v. 22, n. 10 p. 3969–75. 4 may. 2022.
MARTINS, A. et al. Correction of aberrations via polarization in single layer metalenses. Advanced Optical Materials. v. 10, n. 2102555. 10 mar. 2022
ZHANG, L. et al. High-efficiency, 80 mm aperture metalens telescope. NanoLetters. v. 23, n. 1, p. 51–7. 16 dic. 2022.
Republicar
