Al meer dan 500 jaar, mensen hebben de kunst van het breken van licht onder de knie door glas in lenzen te vormen, en vervolgens die lenzen buigen of combineren om beelden van dichtbij en veraf te versterken en te verduidelijken.

Maar in het laatste decennium of zo, een groep onder leiding van wetenschapper Federico Capasso aan de Harvard University is begonnen met het transformeren van het veld van optica door platte optica metasurfaces te ontwerpen, gebruikmakend van een reeks van miljoenen kleine microscopisch dunne en transparante kwartspilaren om de lichtstroom te buigen en te vormen op vrijwel dezelfde manier als een glazen lens, maar zonder de aberraties die het glas van nature beperken.

De technologie werd in 2019 door het World Economic Forum (WEF) geselecteerd als een van de Top 10 opkomende technologieën, die opmerkte dat deze steeds kleinere, er zouden binnenkort duidelijkere lenzen te zien zijn in telefoons met camera's, sensoren, glasvezellijnen en medische beeldvormingsapparatuur, zoals endoscopen.

"Het maken van de lenzen die door mobiele telefoons worden gebruikt, computers en andere elektronische apparaten die kleiner zijn dan de mogelijkheden van traditionele technieken voor het snijden en buigen van glas, " volgens het WEF. "...Deze kleine, dun, platte lenzen zouden bestaande omvangrijke glazen lenzen kunnen vervangen en verdere miniaturisatie in sensoren en medische beeldvormingsapparatuur mogelijk maken."

Metalenses 'herconfigureerbaar' maken

Nutsvoorzieningen, Giuseppe Strangi, hoogleraar natuurkunde van Case Western Reserve University en medewerkers van Harvard hebben een stap gezet om deze 'metalenses' nog nuttiger te maken - door ze herconfigureerbaar te maken.

Ze deden dit door krachten op nanoschaal te gebruiken om vloeibare kristallen te infiltreren tussen die microscopisch kleine pilaren, waardoor ze het licht op geheel nieuwe manieren kunnen vormen en verstrooien - de focusseringskracht "afstemmen", zei Strange.

Vloeibare kristallen zijn vooral nuttig omdat ze thermisch kunnen worden gemanipuleerd, elektrisch, magnetisch of optisch, wat het potentieel creëert voor de flexibele of herconfigureerbare lenzen.

"Wij geloven dat dit de belofte inhoudt om een ​​revolutie teweeg te brengen in de optica zoals we die sinds de 16e eeuw kennen, " zei Strange, wiens Nanoplasm Lab bij Case Western Reserve onderzoek doet naar "extreme optica" en de "interactie van licht en materie op nanoschaal, "onder andere.

Tot voor kort, ooit een glazen lens werd gevormd tot een stijve curve, het kon het licht maar op één manier buigen, tenzij gecombineerd met andere lenzen of fysiek verplaatst, zei Strange.

Metalenses veranderde dat, omdat ze het mogelijk maken om het golffront te ontwerpen door de fase te regelen, amplitude en polarisatie van het licht.

Nutsvoorzieningen, door het vloeibare kristal te regelen, de onderzoekers hebben deze nieuwe klasse metalenses kunnen verplaatsen naar nieuwe wetenschappelijke en technologische inspanningen om herconfigureerbaar gestructureerd licht te genereren.

"Dit is nog maar de eerste stap, maar er zijn veel mogelijkheden om deze lenzen te gebruiken, en we zijn al benaderd door bedrijven die geïnteresseerd zijn in deze technologie, ' zei Strange.

De krant die de doorbraak aankondigde, werd begin augustus gepubliceerd door de Proceedings of the Nationale Academie van Wetenschappen .

Strangi werkte samen met verschillende andere onderzoekers in de Verenigde Staten en Europa, waaronder collega Case Western Reserve-onderzoekers Andrew Lininger en Jonathan Boyd; Giovanna Palermo van Universita' della Calabria in Italië; en Capasso, Alexander Zhu en Joon-Suh Park van de John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences aan de Harvard University.

Lininger zei dat een deel van het probleem met de huidige toepassingen van meta-oppervlakken is dat hun vorm vastligt op het punt van productie, maar "door herconfigureerbaarheid in het meta-oppervlak mogelijk te maken, deze beperkingen kunnen worden overwonnen."

Capasso, die pionierde op het gebied van platte optica en in 2014 voor het eerst onderzoek publiceerde naar metalenses, crediteerde Strangi voor het idee om de metalenses te infiltreren met vloeibare kristallen en zei dat deze innovatie een stap in de richting van nog grotere dingen vertegenwoordigt.

"Ons vermogen om reproduceerbaar te infiltreren met vloeibare kristallen ultramoderne metalenses gemaakt van meer dan 150 miljoen glazen pilaren met een diameter van nanoschaal en om hun focuseigenschappen aanzienlijk te veranderen, is een voorbode van de opwindende wetenschap en technologie die ik verwacht te komen uit herconfigureerbare platte optica in de toekomst, ' zei Capasso.