Il vetro lucido è da secoli al centro dei sistemi di imaging. La loro curvatura precisa consente alle lenti di focalizzare la luce e produrre immagini nitide, se l'oggetto in vista è una singola cella, la pagina di un libro, o una galassia lontana.

Cambiare la messa a fuoco per vedere chiaramente a tutte queste scale in genere richiede lo spostamento fisico di un obiettivo, inclinando, scorrevole, o spostando in altro modo l'obiettivo, di solito con l'aiuto di parti meccaniche che si aggiungono alla mole di microscopi e telescopi.

Ora gli ingegneri del MIT hanno fabbricato un "metalens" sintonizzabile che può concentrarsi su oggetti a più profondità, senza modifiche alla sua posizione fisica o forma. La lente non è realizzata in vetro solido ma in un materiale trasparente "a cambiamento di fase" che, dopo il riscaldamento, può riorganizzare la sua struttura atomica e quindi cambiare il modo in cui il materiale interagisce con la luce.

I ricercatori hanno inciso la superficie del materiale con minuscoli, strutture modellate con precisione che lavorano insieme come una "metasuperficie" per rifrangere o riflettere la luce in modi unici. Quando le proprietà del materiale cambiano, la funzione ottica della metasuperficie varia di conseguenza. In questo caso, quando il materiale è a temperatura ambiente, la metasuperficie focalizza la luce per generare un'immagine nitida di un oggetto a una certa distanza. Dopo che il materiale è stato riscaldato, la sua struttura atomica cambia, e in risposta, la metasuperficie reindirizza la luce per concentrarsi su un oggetto più distante.

In questo modo, i nuovi "metalens" attivi possono sintonizzare la sua messa a fuoco senza la necessità di ingombranti elementi meccanici. Il nuovo disegno, che attualmente immagini all'interno della banda infrarossa, può abilitare dispositivi ottici più agili, come miniscopi di calore per droni, termocamere ultracompatte per cellulari, e occhiali per la visione notturna a basso profilo.

"Il nostro risultato mostra che la nostra lente sintonizzabile ultrasottile, senza parti in movimento, può ottenere immagini prive di aberrazioni di oggetti sovrapposti posizionati a profondità diverse, rivaleggiare con la tradizione, sistemi ottici ingombranti, "dice Tian Gu, uno scienziato ricercatore nel laboratorio di ricerca sui materiali del MIT.

Gu e i suoi colleghi hanno pubblicato oggi i loro risultati sulla rivista Comunicazioni sulla natura . I suoi coautori includono Juejun Hu, Michail Salaginov, Yifei Zhang, Fan Yang, Pietro Su, Carlos Rios, Qingyang Du, e Anuradha Agarwal al MIT; Vladimir Liberman, Jeffrey Cho, e Christopher Roberts del MIT Lincoln Laboratory; e collaboratori dell'Università del Massachusetts a Lowell, l'Università della Florida centrale, e Lockheed Martin Corporation.

Un ritocco materiale

La nuova lente è realizzata con un materiale a cambiamento di fase che il team ha fabbricato modificando un materiale comunemente usato nei CD e DVD riscrivibili. chiamato GST, comprende germanio, antimonio, e tellurio, e la sua struttura interna cambia quando viene riscaldata con impulsi laser. Ciò consente al materiale di passare da uno stato trasparente a uno opaco:il meccanismo che consente di scrivere i dati archiviati nei CD, spazzato via, e riscritto.

All'inizio di quest'anno, i ricercatori hanno riferito di aver aggiunto un altro elemento, selenio, a GST per creare un nuovo materiale che cambia fase:GSST. Quando hanno riscaldato il nuovo materiale, la sua struttura atomica si è spostata da amorfa, groviglio casuale di atomi a un più ordinato, struttura cristallina. Questo sfasamento ha anche cambiato il modo in cui la luce infrarossa ha viaggiato attraverso il materiale, influenzando il potere di rifrazione ma con un impatto minimo sulla trasparenza.

Il team si è chiesto se la capacità di commutazione di GSST potesse essere adattata per dirigere e focalizzare la luce in punti specifici a seconda della sua fase. Il materiale quindi potrebbe fungere da lente attiva, senza la necessità di parti meccaniche per spostare la sua attenzione.

"In generale, quando si costruisce un dispositivo ottico, è molto impegnativo mettere a punto le sue caratteristiche dopo la fabbricazione, " dice Shalaginov. "Ecco perché avere questo tipo di piattaforma è come un santo graal per gli ingegneri ottici, ciò consente [ai metalen] di cambiare la messa a fuoco in modo efficiente e su un ampio intervallo."

Nella sede calda

Nelle lenti convenzionali, il vetro è curvato con precisione in modo che il raggio di luce in ingresso si rifrange dall'obiettivo a vari angoli, convergendo in un punto a una certa distanza, nota come lunghezza focale dell'obiettivo. Le lenti possono quindi produrre un'immagine nitida di qualsiasi oggetto a quella particolare distanza. Per visualizzare gli oggetti a una profondità diversa, l'obiettivo deve essere spostato fisicamente.

Piuttosto che fare affidamento sulla curvatura fissa di un materiale per dirigere la luce, i ricercatori hanno cercato di modificare i metalli a base di GSST in modo che la lunghezza focale cambi con la fase del materiale.

Nel loro nuovo studio, hanno fabbricato uno strato di GSST dello spessore di 1 micron e hanno creato una "metasuperficie" incidendo lo strato di GSST in strutture microscopiche di varie forme che rifrangono la luce in modi diversi.

"È un processo sofisticato per costruire la metasuperficie che commuta tra diverse funzionalità, e richiede un'ingegneria giudiziosa sul tipo di forme e modelli da utilizzare, " dice Gu. "Sapendo come si comporterà il materiale, possiamo progettare un modello specifico che si concentrerà in un punto nello stato amorfo, e passare a un altro punto nella fase cristallina."

Hanno testato i nuovi metalen posizionandoli su un palco e illuminandoli con un raggio laser sintonizzato sulla banda di luce infrarossa. A determinate distanze davanti all'obiettivo, hanno posizionato oggetti trasparenti composti da motivi a doppia faccia di barre orizzontali e verticali, noti come grafici di risoluzione, tipicamente utilizzati per testare i sistemi ottici.

La lente, nella sua iniziale, stato amorfo, prodotto un'immagine nitida del primo modello. Il team ha quindi riscaldato la lente per trasformare il materiale in una fase cristallina. Dopo il passaggio, e con la fonte di calore rimossa, l'obiettivo produceva un'immagine altrettanto nitida, questa volta del secondo, più lontano set di barre.

"Dimostriamo l'imaging a due diverse profondità, senza alcun movimento meccanico, " dice Salaginov.

Gli esperimenti mostrano che un metalens può cambiare attivamente messa a fuoco senza alcun movimento meccanico. I ricercatori affermano che un metalens potrebbe essere potenzialmente fabbricato con microriscaldatori integrati per riscaldare rapidamente il materiale con brevi impulsi di millisecondi. Variando le condizioni di riscaldamento, possono anche sintonizzarsi sugli stati intermedi di altri materiali, consentendo una messa a punto focale continua.

"È come cucinare una bistecca:si parte da una bistecca cruda, e può andare fino a ben fatto, o potrebbe fare mediamente cotta, e qualsiasi altra cosa in mezzo, " dice Shalaginov. "In futuro questa piattaforma unica ci permetterà di controllare arbitrariamente la lunghezza focale dei metalli".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.