As lentes são os dispositivos óticos mais utilizados. As lentes das câmaras, por exemplo, produzem fotografias ou vídeos nítidos ao direcionar a luz para um ponto focal.
A rápida evolução da ótica nas últimas décadas é exemplificada pela transformação de câmaras convencionais volumosas para câmaras compactas, como as dos smartphones atuais.
Mesmo as câmaras de smartphones de alto desempenho ainda exigem um conjunto de lentes que ocupa frequentemente a parte mais espessa do telefone.
Esta limitação de tamanho é uma característica inerente ao design clássico das lentes: uma lente espessa é crucial para curvar a luz e captar uma imagem nítida no sensor da câmara.
Grandes avanços no campo da ótica nos últimos 10 anos procuraram ultrapassar esta limitação e encontraram uma solução: a metalens. Estas são planas, funcionam como lentes normais e não só são 40 vezes mais finas do que um fio de cabelo humano comum, como também são leves, pois não precisam de ser feitas de vidro.
Uma metassuperfície especial composta por estruturas com apenas 100 nanómetros de largura e altura (um nanómetro é um bilionésimo de um metro) modifica a direção da luz. Utilizando estas nanoestruturas, os investigadores podem reduzir radicalmente o tamanho de uma lente e torná-la mais compacta.
Quando combinadas com materiais especiais, estas nanoestruturas podem ser utilizadas para explorar outras propriedades invulgares da luz. Um exemplo é a ótica não linear, onde a luz é convertida de uma cor para outra.
Um ponteiro laser verde funciona com este princípio: a luz infravermelha atravessa um material cristalino de alta qualidade e gera luz com metade do comprimento de onda, neste caso, luz verde.
Um material bem conhecido que produz estes efeitos é o niobato de lítio. É utilizado na indústria de telecomunicações para criar componentes que ligam a eletrónica a fibras óticas.
Rachel Grange, professora do Instituto de Eletrónica Quântica da ETH Zurique, está a investigar o fabrico de nanoestruturas com estes materiais. Ela e a sua equipa desenvolveram um novo processo que permite a utilização de niobato de lítio para criar metalens.
Para o seu novo método, a física combina a síntese química com a nanoengenharia de precisão.
"A solução que contém os precursores dos cristais de niobato de lítio pode ser impressa ainda no estado líquido. Funciona de forma semelhante à prensa de Gutenberg", explicou a coautora principal Ülle-Linda Talts, estudante de doutoramento que trabalha com Rachel Grange.
Uma vez aquecido a 600°C, o material adquire propriedades cristalinas que permitem a conversão da luz, como no caso da caneta laser verde.
Utilizando esta técnica, os investigadores do ETH do grupo Grange conseguiram criar as primeiras metalens de niobato de lítio com nanoestruturas precisamente concebidas. Enquanto funcionam como lentes comuns de foco de luz, estes dispositivos podem deslocar simultaneamente o comprimento de onda da luz laser.
Quando a luz infravermelha com um comprimento de onda de 800 nanómetros é enviada através das metalens, a radiação visível com um comprimento de onda de 400 nanómetros emerge do outro lado e é dirigida para um ponto designado.
Esta 'magia' da conversão da luz, como lhe chama Rachel Grange, só é possível graças à estrutura especial das metalens ultrafinas e à sua composição material, que permite o surgimento do que é conhecido como efeito ótico não linear.
Este efeito não se limita a um comprimento de onda específico do laser, tornando o processo altamente versátil numa vasta gama de aplicações.
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