{"id":494535,"date":"2023-10-26T09:31:56","date_gmt":"2023-10-26T12:31:56","guid":{"rendered":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/?p=494535"},"modified":"2023-12-11T10:39:23","modified_gmt":"2023-12-11T13:39:23","slug":"lentes-ultradelgadas-para-celulares-microscopios-y-telescopios","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/lentes-ultradelgadas-para-celulares-microscopios-y-telescopios\/","title":{"rendered":"Lentes ultradelgadas para celulares, microscopios y telescopios"},"content":{"rendered":"

Una nueva generaci\u00f3n de lentes ha venido cobrando forma en los laboratorios de universidades y empresas de todo el mundo. Se trata de las llamadas metalentes, pel\u00edculas de silicio mil veces m\u00e1s delgadas que una hoja de papel, que cumplen la misma funci\u00f3n que las lentes convencionales de vidrio o pl\u00e1stico, pero con un control de la luz mucho m\u00e1s preciso. A medida que se avance, las tambi\u00e9n denominadas metasuperficies \u00f3pticas podr\u00e1n sustituir a las lentes en las c\u00e1maras de los tel\u00e9fonos m\u00f3viles, microscopios, endoscopios (aparatos m\u00e9dicos que generan im\u00e1genes del interior del cuerpo), gafas de realidad virtual y telescopios.<\/p>\n

En la Escuela de Ingenier\u00eda de S\u00e3o Carlos de la Universidad de S\u00e3o Paulo (EESC-USP), Emiliano Rezende Martins y su colaborador, Ben-Hur Viana Borges, ambos ingenieros electricistas, desarrollan prototipos de metalentes que combinan m\u00e1s de una propiedad \u00f3ptica deseable, como un amplio campo de visi\u00f3n y un enfoque preciso en una misma superficie, algo que en la actualidad solo es posible combinando m\u00e1s de una lente de vidrio o pl\u00e1stico.<\/p>\n

Rezende Martins sabe que a\u00fan deber\u00e1 superar diversos retos para que sean funcionales. Uno de los principales es conseguir que el di\u00e1metro de las metalentes sea mayor que algunas centenas de micrones (un micr\u00f3n equivale a una mil\u00e9sima de mil\u00edmetro) y, al mismo tiempo, puedan enfocar m\u00e1s de un color sin que se produzca una distorsi\u00f3n de la imagen, un fen\u00f3meno que se conoce como aberraci\u00f3n crom\u00e1tica. En las lentes curvas convencionales, la aberraci\u00f3n crom\u00e1tica puede controlarse superponiendo m\u00e1s de una lente, como ocurre en las c\u00e1maras de los tel\u00e9fonos m\u00f3viles.<\/p>\n

En colaboraci\u00f3n con investigadores chinos, el grupo de S\u00e3o Carlos estudia una alternativa para solucionar este problema mediante la creaci\u00f3n de un prototipo de metalente que enfoca los objetos en tres colores: rojo, verde y azul, el conocido est\u00e1ndar RGB (en ingl\u00e9s, red, green<\/em> y blue<\/em>), que capta im\u00e1genes digitales en color. El dispositivo fue dise\u00f1ado con la ayuda del equipo brasile\u00f1o y fabricado en China, debido a cuestiones de disponibilidad de equipos.<\/p>\n<\/div>

\n \n \n \n <\/picture>Alexandre Affonso\/Revista Pesquisa Fapesp<\/span><\/div>
\n

Una propiedad fundamental de estas lentes es su apertura num\u00e9rica, que se refiere a la raz\u00f3n entre el radio de la zona que capta la luz y la distancia focal. Cuanto mayor es esta apertura, tambi\u00e9n lo es la resoluci\u00f3n de la lente. Para una lente inmersa en aire, la mayor apertura num\u00e9rica posible es 1. Uno de los grandes desaf\u00edos en el campo de las metalentes consiste en lograr grandes aperturas para lentes de gran di\u00e1metro. El prototipo del grupo de S\u00e3o Carlos posee una apertura num\u00e9rica de 0,8, con tan solo 1,8 micrones de grosor (unas 50 veces m\u00e1s delgada que el di\u00e1metro de un cabello), y un di\u00e1metro de 1 mil\u00edmetro (mm), \u201cdiez veces m\u00e1s grande que los prototipos obtenidos por otros grupos\u201d, resalta Rezende Martins, uno de los autores de un art\u00edculo publicado en mayo de 2022 en la revista NanoLetters<\/em>.<\/p>\n

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 fabricaci\u00f3n ser\u00eda algo menos compleja. Est\u00e1 compuesta de materiales y espesores diferentes para facilitar el paso de la luz: una superior de nitrato de silicio, con un grosor de 600 nan\u00f3metros (nm; un nan\u00f3metro equivale a una millon\u00e9sima de mil\u00edmetro), y otra inferior de silicio cristalino, de 400 nm de espesor.<\/p>\n

La segunda innovaci\u00f3n consisti\u00f3 en la adopci\u00f3n de dos formatos diferentes de nanocolumnas \u2013cuadradas y circulares\u2013 en lugar de un \u00fanico tipo. Las nanocolumnas son estructuras que controlan el paso de la luz, que tan solo pueden visualizarse mediante microscopios electr\u00f3nicos de barrido. Las nanocolumnas m\u00e1s cercanas al centro de la metalente retrasan el avance de la luz y consiguen que esta incida sobre el foco en simult\u00e1neo con la procedente de la regi\u00f3n perif\u00e9rica, que debe viajar algo m\u00e1s.<\/p>\n

\u201cPodemos imaginar que la metalente es una avenida plana\u201d, compara Rezende Martins. \u201cLa luz que la atravesar\u00e1 estar\u00eda repartida en veh\u00edculos que viajan a velocidades diferentes. Las nanocolumnas funcionan como barreras que ralentizan a los m\u00e1s veloces y luego los liberan, logrando que todos arriben simult\u00e1neamente al sitio deseado\u201d.<\/p>\n<\/div>

\n \n \n \n <\/picture>Alexandre Affonso \/ Revista Pesquisa FAPESP<\/span><\/div>
\n

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 precisi\u00f3n por tener las mismas dimensiones o incluso menores que las longitudes de las ondas lum\u00ednicas. Dependiendo de su aplicaci\u00f3n, podr\u00edan modificar, de maneras diferentes, las propiedades de la onda. \u201cTambi\u00e9n aumentamos la cantidad de nanocolumnas y, de esta manera, combinamos el atraso de las ondas en tres colores diferentes\u201d, explica Rezende Martins.<\/p>\n

Seg\u00fan \u00e9l, como las capas de los metalentes suelen tallarse en las superficies de silicio mediante una t\u00e9cnica denominada litograf\u00eda por haces de electrones, apilar m\u00e1s de una capa requiere una gran precisi\u00f3n y dif\u00edcilmente podr\u00eda ser un proceso automatizado. Lo m\u00e1s sencillo es fabricar metalentes de una sola capa, lo que por ahora solo es posible para lentes que enfocan tan solo un color.<\/p>\n

\u201cEl grupo de S\u00e3o Carlos obtuvo un buen resultado para las tres bandas de colores que pr\u00e1cticamente cubren todo el espectro visible de la luz en un \u00e1rea relativamente amplia comparada con lo que exist\u00eda\u201d, dice el ingeniero electricista Hugo Enrique Hern\u00e1ndez Figueroa, de la Universidad de Campinas (Unicamp), quien no particip\u00f3 del estudio.<\/p>\n

En otro proyecto, el grupo de S\u00e3o Carlos dise\u00f1\u00f3 un prototipo de metalente monocrom\u00e1tica, con una capa de silicio. Esta lente puede generar im\u00e1genes de alta resoluci\u00f3n, solamente en color verde, con un bajo campo de visi\u00f3n o, por el contrario, de baja resoluci\u00f3n y alto campo de visi\u00f3n.<\/p>\n

\"\"

L\u00e9o Ramos Chaves \/ Revista Pesquisa FAPESP<\/span>Modelo de metalente de 20 cm de di\u00e1metro fabricada en pl\u00e1stico, utilizada para estudiar el efecto de los nanopostes (en lila<\/em>) sobre las ondas electromagn\u00e9ticasL\u00e9o Ramos Chaves \/ Revista Pesquisa FAPESP<\/span><\/p><\/div>\n

\u201cLas metalentes son capaces de combinar dos o m\u00e1s funciones en forma \u00fanica merced a un control preciso de las propiedades de la luz\u201d, dice el ingeniero electricista Augusto Martins, autor principal de un art\u00edculo que sali\u00f3 publicado en marzo de 2022 en la revista Advanced Opticals Materials<\/em>. Parte de su doctorado, concluido en 2021 en la EESC-USP, lo realiz\u00f3 en la Universidad de York (Reino Unido), donde construy\u00f3 el prototipo de esta metalente. Por su tesis doctoral, se hizo acreedor al Premio Capes 2022 en el \u00e1rea de ingenier\u00eda IV.<\/p>\n

El formato original de las nanocolumnas \u2013 en este caso, el\u00edpticas \u2013 le permiti\u00f3 a la metalente oscilar entre el mayor campo de visi\u00f3n o el mejor enfoque y resoluci\u00f3n, como resultado del uso de un filtro (o polarizador) para cada caso. Una de sus posibles aplicaciones ser\u00eda en endoscopios, que podr\u00edan regularse para reproducir detalles del interior del organismo examinado. Seg\u00fan Rezende Martins, uno de los autores del estudio, estos dispositivos podr\u00edan tener dimensiones bastante menores a las actuales si se les pudiera a\u00f1adir una \u00fanica pel\u00edcula de metalente.<\/p>\n

Tambi\u00e9n existen metalentes para aparatos mayores. En diciembre de 2022, investigadores de la Universidad de Pensilvania publicaron en la revista NanoLetters<\/em> una imagen monocrom\u00e1tica de las estructuras de la Luna obtenida con un prototipo de un telescopio cuyo objetivo, que ampl\u00eda la imagen, estaba constituido por una sola lente ultradelgada de 8 cent\u00edmetros de di\u00e1metro, que enfoca solamente en una longitud de onda, el infrarrojo.<\/p>\n

\u201cLas aplicaciones de las metalentes que requieren tan solo un color, utilizadas para la detecci\u00f3n 3D del entorno, como las c\u00e1maras de reconocimiento facial o las de los veh\u00edculos aut\u00f3nomos, avanzar\u00e1n m\u00e1s r\u00e1pidamente que las que requieren varios colores, como las fotogr\u00e1ficas de los tel\u00e9fonos m\u00f3viles\u201d, comenta Augusto Martins. Las metalentes de capa \u00fanica podr\u00edan producirse con el mismo proceso de fabricaci\u00f3n de los dispositivos electr\u00f3nicos, lo que permitir\u00eda integrarlas m\u00e1s f\u00e1cilmente a estos aparatos\u201d, a\u00f1ade Rezende Martins.<\/p>\n

\u201cLas metalentes son una evoluci\u00f3n de las lentes convencionales\u201d, dice el f\u00edsico Jarbas Caiado de Castro Neto, del Instituto de F\u00edsica de S\u00e3o Carlos (IFSC) de la USP, quien no particip\u00f3 en los estudios de la EESC. \u201cSi la investigaci\u00f3n en este campo sigue avanzando, una de sus ventajas principales ser\u00e1 una reducci\u00f3n significativa en los costos de producci\u00f3n de los dispositivos electr\u00f3nicos, ya que se podr\u00e1n reemplazar varias lentes por una sola pel\u00edcula\u201d. Castro Neto es uno de los socios fundadores de la empresa Opto Eletr\u00f4nica, con sede en esa ciudad del interior paulista, que desarrolla componentes e instrumentos \u00f3pticos para los sectores m\u00e9dico, industrial y aeroespacial.<\/p>\n

Proyectores para reconocimiento facial
\n<\/strong>En mayo de 2021, la startup<\/em> Metalenz, con sede en la ciudad de Boston (EE. UU.), fundada por el f\u00edsico italoestadounidense Federico Capasso, de la Universidad Harvard, uno de los mayores expertos en metasuperficies \u00f3pticas, anunci\u00f3 en su sitio web el lanzamiento de una familia de proyectores de reconocimiento facial para tel\u00e9fonos m\u00f3viles, entre otras aplicaciones.<\/p>\n

En los proyectores, una metalente \u00fanica sustituye hasta seis piezas \u00f3pticas, entre ellas cuatro lentes refractivas convencionales que alinean la luz infrarroja emitida para el reconocimiento facial. \u201cEl anuncio de la empresa de Capasso constituye un ejemplo cabal de los que las metalentes son capaces de hacer: combinar diversos elementos \u00f3pticos en una l\u00e1mina \u00fanica\u201d, dijo Martins.<\/p>\n

En septiembre de 2022, Metalenz inform\u00f3 de un convenio con la empresa STMicroelectronics, fabricante de semiconductores francoitaliana con sede en Ginebra (Suiza), para la producci\u00f3n de sistemas de sensores de detecci\u00f3n para el reconocimiento facial en tel\u00e9fonos inteligentes. Las metalentes se fabricar\u00e1n en discos de silicio junto con los dem\u00e1s componentes electr\u00f3nicos en una \u00fanica l\u00ednea de producci\u00f3n.<\/div>\n

Proyectos
\n1.<\/strong> Metasuperficies para la generaci\u00f3n de im\u00e1genes y la teledetecci\u00f3n (n\u00ba 20\/00619-4<\/a>);\u00a0Modalidad Ayuda de Investigaci\u00f3n <\/strong>\u2012 Regular;\u00a0Investigador responsable<\/strong>\u00a0Emiliano Rezende Martins;\u00a0Inversi\u00f3n<\/strong> R$ 69.209,35.
\n2.<\/strong> Metasuperficies totalmente diel\u00e9ctricas fuertemente resonantes basadas en modos cuasi oscuros y toroidales (n\u00ba 21\/06506-0<\/a>);\u00a0Investigador responsable<\/strong>Hugo Enrique Hern\u00e1ndez Figueroa;\u00a0Inversi\u00f3n<\/strong> R$ 246.276,88.<\/p>\n

Art\u00edculos cient\u00edficos
\n<\/strong>FENG, W.\u00a0et al<\/em>.\u00a0RGB achromatic metalens doublet for digital imaging<\/a>.\u00a0NanoLetters<\/strong>. v. 22, n. 10 p. 3969\u201375. 4 may. 2022.
\nMARTINS, A.\u00a0et al.<\/em>\u00a0Correction of aberrations via polarization in single layer metalenses<\/a>.\u00a0Advanced Optical Materials<\/strong>. v. 10, n. 2102555. 10 mar. 2022
\nZHANG, L.\u00a0et al<\/em>.\u00a0High-efficiency, 80 mm aperture metalens telescope<\/a>.\u00a0NanoLetters<\/strong>. v. 23, n. 1, p. 51\u20137. 16 dic. 2022.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Las pel\u00edculas de silicio pueden combinar un campo de visi\u00f3n amplio y una alta resoluci\u00f3n digital, aunque la calidad de las im\u00e1genes policrom\u00e1ticas constituye por ahora una limitaci\u00f3n","protected":false},"author":684,"featured_media":494536,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_exactmetrics_skip_tracking":false,"_exactmetrics_sitenote_active":false,"_exactmetrics_sitenote_note":"","_exactmetrics_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[192],"tags":[304],"coauthors":[2721],"class_list":["post-494535","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-tecnologia-es","tag-fisica-es","position_at_home-sumario"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/494535","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/users\/684"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=494535"}],"version-history":[{"count":4,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/494535\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":495677,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/494535\/revisions\/495677"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media\/494536"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=494535"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=494535"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=494535"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/coauthors?post=494535"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}