Lentes ultra-finas que tornam visível a luz infravermelha
Os investigadores conseguiram-no utilizando um material especial para lentes de óxido de metal chamado niobato de lítio e através de um padrão à escala nanométrica, gravado no material
Os físicos da ETH Zurich desenvolveram uma lente com propriedades mágicas. Ultra-fina, pode transformar a luz infravermelha em luz visível, reduzindo para metade o comprimento de onda da luz incidente.
As lentes são os dispositivos ópticos mais utilizados. As lentes das máquinas fotográficas ou as objectivas, por exemplo, produzem uma fotografia ou um vídeo nítidos dirigindo a luz para um ponto focal. A velocidade da evolução registada no domínio da ótica nas últimas décadas é exemplificada pela transformação das câmaras fotográficas convencionais volumosas nas câmaras compactas dos smartphones actuais.
Mesmo as câmaras para smartphones de elevado desempenho continuam a exigir uma pilha de lentes que, muitas vezes, representam a parte mais espessa do telemóvel. Esta limitação de tamanho é uma caraterística inerente ao design clássico das lentes - uma lente espessa é crucial para dobrar a luz e captar uma imagem nítida no sensor da câmara.
Nos últimos dez anos, os grandes avanços no domínio da ótica procuraram ultrapassar esta limitação e encontraram uma solução sob a forma de lentes metálicas. Estas lentes são planas, funcionam da mesma forma que as lentes normais e não só são 40 vezes mais finas do que um cabelo humano médio, como também são leves, uma vez que não precisam de ser feitas de vidro.
Uma metassuperfície especial composta por estruturas com apenas cem nanómetros de largura e altura (um nanómetro é a bilionésima parte 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, em que a luz é convertida de uma cor noutra. Uma caneta laser verde funciona de acordo 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. Este material é utilizado na indústria das telecomunicações para criar componentes que fazem a interface entre a eletrónica e as fibras ópticas.
Rachel Grange, professora do Instituto de Eletrónica Quântica da ETH Zurique, investiga o fabrico de nanoestruturas com estes materiais. Ela e a sua equipa desenvolveram um novo processo que permite utilizar o niobato de lítio para criar metalenses. O estudo foi recentemente publicado na revista Advanced Materials.
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 estampada ainda em estado líquido. Funciona de forma semelhante à prensa de Gutenberg", explica a coautora Ülle-Linda Talts, uma estudante de doutoramento que trabalha com Rachel Grange. Quando o material é aquecido a 600°C, adquire propriedades cristalinas que permitem a conversão da luz, como no caso da caneta laser verde.
O processo tem várias vantagens. A produção de nanoestruturas de niobato de lítio é difícil através dos métodos convencionais, uma vez que este material é excecionalmente estável e duro. De acordo com os investigadores, esta técnica é adequada para a produção em massa, uma vez que um molde inverso pode ser utilizado várias vezes, permitindo a impressão de tantos metalenses quantos os necessários. O seu fabrico é também muito mais económico e rápido do que o de outros dispositivos ópticos miniaturizados de niobato de lítio.
Lentes ultra-finas que geram nova luz
Utilizando esta técnica, os investigadores da ETH do grupo de Grange conseguiram criar as primeiras lentes metálicas de niobato de lítio com nanoestruturas concebidas com precisão. Enquanto funcionam como lentes normais de focagem da luz, estes dispositivos podem alterar simultaneamente o comprimento de onda da luz laser. Quando a luz infravermelha com um comprimento de onda de 800 nanómetros é enviada através dos 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 do metalens ultrafino e à sua composição de um material que permite a ocorrência do chamado efeito ótico não linear. Este efeito não está limitado a um comprimento de onda laser definido, o que torna o processo altamente versátil numa vasta gama de aplicações.
Desde notas de banco à prova de contrafação a ferramentas de microscopia da próxima geração
As metalenses e nanoestruturas semelhantes geradoras de hologramas podem ser utilizadas como elementos de segurança para tornar as notas de banco e os títulos à prova de contrafação e para garantir a autenticidade das obras de arte. As suas estruturas exactas são demasiado pequenas para serem vistas com luz visível, enquanto as suas propriedades materiais não lineares permitem uma autenticação altamente fiável.
Os investigadores podem também utilizar detectores de câmara simples para converter e orientar a emissão de luz laser para tornar visível a luz infravermelha - em sensores, por exemplo. Ou para reduzir o equipamento necessário para a modelação de luz UV profunda no fabrico de eletrónica de ponta.
O campo destes elementos ópticos ultra-finos - conhecidos como metassuperfícies - é um ramo de investigação relativamente jovem na interface entre a física, a ciência dos materiais e a química. "Até agora, apenas arranhámos a superfície e estamos muito entusiasmados por ver o impacto que este tipo de nova tecnologia rentável terá no futuro", sublinha Grange.
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