O design pode permitir lentes de zoom em miniatura para drones, telefones celulares ou a³culos de visão noturna.

Um novo metalens fabricado pelo MIT muda o foco sem inclinar, mudar ou se mover de outra forma. O design pode permitir lentes de zoom em miniatura para drones, telefones celulares ou a³culos de visão noturna. Créditos: Cortesia dos pesquisadores
O vidro polido estãono centro dos sistemas de imagem háséculos. Sua curvatura precisa permite que as lentes focalizem a luz e produzam imagens natidas, seja o objeto em vista uma única canãlula, a pa¡gina de um livro ou uma gala¡xia distante.
Mudar o foco para ver claramente em todas essas escalas normalmente requer mover fisicamente uma lente, inclinando, deslizando ou mudando a lente, geralmente com a ajuda de pea§as meca¢nicas que aumentam o volume de microsca³pios e telesca³pios.
Agora, os engenheiros do MIT fabricaram um “metalens†ajusta¡vel que pode focar em objetos em várias profundidades, sem alterações em sua posição física ou forma. A lente não éfeita de vidro sãolido, mas de um material transparente de “mudança de fase†que, após aquecimento, pode reorganizar sua estrutura atômica e, assim, mudar a maneira como o material interage com a luz.
Os pesquisadores gravaram asuperfÍcie do material com estruturas minaºsculas e precisamente padronizadas que funcionam juntas como uma "metassuperfacie" para refratar ou refletir a luz de maneiras únicas. Conforme as propriedades do material mudam, a função a³ptica da metassuperfacie varia de acordo. Nesse caso, quando o material estãoem temperatura ambiente, a metassuperfacie focaliza a luz para gerar uma imagem natida de um objeto a uma certa distância. Depois que o material éaquecido, sua estrutura atômica muda e, em resposta, a metassuperfacie redireciona a luz para se concentrar em um objeto mais distante.
Desta forma, os novos “metalens†ativos podem ajustar seu foco sem a necessidade de elementos meca¢nicos volumosos. O novo design, que atualmente imagens dentro da faixa infravermelha, pode permitir dispositivos a³pticos mais a¡geis, como escopos de calor em miniatura para drones, ca¢meras tanãrmicas ultracompactas para telefones celulares e a³culos de visão noturna de baixo perfil.
“Nosso resultado mostra que nossas lentes ultrafinas sintoniza¡veis, sem partes ma³veis, podem obter imagens sem aberração de objetos sobrepostos posicionados em diferentes profundidades, rivalizando com os sistemas a³ticos tradicionais e volumososâ€, diz Tian Gu, um cientista pesquisador do Laborata³rio de Pesquisa de Materiais do MIT.
Gu e seus colegas publicaram seus resultados hoje na revista Nature Communications . Seus co-autores incluem Juejun Hu, Mikhail Shalaginov, Yifei Zhang, Fan Yang, Peter Su, Carlos Rios, Qingyang Du e Anuradha Agarwal no MIT; Vladimir Liberman, Jeffrey Chou e Christopher Roberts, do MIT Lincoln Laboratory; e colaboradores da University of Massachusetts em Lowell, da University of Central Florida e da Lockheed Martin Corporation.
Um ajuste de material
A nova lente éfeita de um material de mudança de fase que a equipe fabricou ajustando um material comumente usado em CDs e DVDs regrava¡veis. Chamado GST, ele compreende germa¢nio, antima´nio e telaºrio, e sua estrutura interna muda quando aquecida com pulsos de laser. Isso permite que o material alterne entre os estados transparente e opaco - o mecanismo que permite que os dados armazenados em CDs sejam gravados, apagados e regravados.
No inicio deste ano, os pesquisadores relataram adicionar outro elemento, selaªnio, ao GST para fazer um novo material de mudança de fase : GSST. Quando eles aqueceram o novo material, sua estrutura atômica mudou de um emaranhado amorfo e aleata³rio de a¡tomos para uma estrutura mais organizada e cristalina. Essa mudança de fase também mudou a forma como a luz infravermelha viaja pelo material, afetando o poder de refração, mas com impacto manimo na transparaªncia.
A equipe se perguntou se a capacidade de comutação do GSST poderia ser adaptada para direcionar e focar a luz em pontos específicos, dependendo de sua fase. O material então poderia servir como uma lente ativa, sem a necessidade de partes meca¢nicas para mudar seu foco.
“Em geral, quando alguém faz um dispositivo a³ptico, émuito desafiador ajustar suas caracteristicas após a fabricaçãoâ€, diz Shalaginov. “a‰ por isso que ter este tipo de plataforma écomo um Santo Graal para engenheiros a³pticos, que permite [aos metalens] mudar o foco de forma eficiente e em um amplo intervalo.â€
Na berlinda
Em lentes convencionais, o vidro écurvado com precisão para que o feixe de luz que entra refrate a lente em vários a¢ngulos, convergindo em um ponto a uma certa distância, conhecido como comprimento focal da lente. As lentes podem então produzir uma imagem natida de quaisquer objetos a essa distância especafica. Para obter imagens de objetos em uma profundidade diferente, a lente deve ser movida fisicamente.
Em vez de confiar na curvatura fixa de um material para direcionar a luz, os pesquisadores procuraram modificar os metalens baseados em GSST de forma que o comprimento focal mudasse com a fase do material.
Em seu novo estudo, eles fabricaram uma camada de 1 macron de espessura de GSST e criaram uma "metassuperfacie" gravando a camada de GSST em estruturas microsca³picas de várias formas que refratam a luz de maneiras diferentes.
“a‰ um processo sofisticado para construir a metassuperfacie que alterna entre diferentes funcionalidades e requer uma engenharia criteriosa de que tipo de formas e padraµes usarâ€, diz Gu. “Sabendo como o material se comportara¡, podemos projetar um padrãoespecafico que se concentrara¡ em um ponto no estado amorfo e mudara¡ para outro ponto na fase cristalina.â€
Eles testaram os novos metalens colocando-os em um palco e iluminando-os com um feixe de laser sintonizado na faixa infravermelha de luz. Em certas distâncias na frente da lente, eles colocaram objetos transparentes compostos de padraµes de dupla face de barras horizontais e verticais, conhecidos como gra¡ficos de resolução, que são normalmente usados ​​para testar sistemas a³pticos.
A lente, em seu estado amorfo inicial, produziu uma imagem natida do primeiro padra£o. A equipe então aqueceu as lentes para transformar o material em uma fase cristalina. Apa³s a transição, e com a fonte de aquecimento removida, a lente produziu uma imagem igualmente natida, desta vez do segundo conjunto de barras mais distantes.
“Demonstramos imagens em duas profundidades diferentes, sem nenhum movimento meca¢nicoâ€, diz Shalaginov.
Os experimentos mostram que um metalens pode mudar ativamente o foco sem quaisquer movimentos meca¢nicos. Os pesquisadores dizem que um metalens poderia ser potencialmente fabricado com microaquecedores integrados para aquecer rapidamente o material com pulsos curtos de milissegundos. Ao variar as condições de aquecimento, eles também podem sintonizar os estados intermediários de outros materiais, permitindo o ajuste focal contanuo.
“a‰ como cozinhar um bife - comea§a com um bife cru e pode ir atbem passado, ou mal passado, e qualquer outra coisa no meioâ€, diz Shalaginov. “No futuro, esta plataforma única nos permitira¡ controlar arbitrariamente a distância focal dos metalens.â€