En la última década, el campo de la óptica ha experimentado importantes avances tecnológicos, especialmente con el desarrollo de las metalentes. Estas lentes se presentan como una alternativa a las tradicionales de vidrio, ya que son planas, compactas ligeras y tiene un grosor 40 veces menor que el de un cabello humano. El Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zúrich (ETH Zúrich) ha trabajado en el desarrollo de estas lentes para facilitar la detección de infrarrojo en sensores o la fabricación avanzada de dispositivos electrónicos, entre otras aplicaciones.
Actualmente, existen varios tipos de lentes: la convencional, que destaca por su grosor y el uso de vidrio; la metalente plana, capaz de enfocar luz infrarroja; y la metalente no lineal, que destaca por su delgadez. Todas estas variantes han sido posibles gracias a estructuras diminutas, conocidas como metasuperficies, formadas por elementos de apenas 100 nm de ancho y alto.
Las metasuperficies permiten modificar la dirección de la luz con gran precisión. Los investigadores han logrado reducir el tamaño de las lentes mediante estas nanoestructuras, al mismo tiempo que las hacen más compactas. Combinadas con ciertos materiales, estas nanoestructuras abren la puerta a explorar propiedades poco comunes de la luz. Una de ellas es la óptica no lineal, un fenómeno que permite transformar la luz de un color a otro.
Un ejemplo cotidiano de óptica no lineal es el láser verde. Al pasar luz infrarroja por un material cristalino adecuado, se genera luz verde al reducirse la longitud de onda a la mitad. El niobato de litio es uno de los materiales más utilizados para este propósito, siendo fundamental en la industria de telecomunicaciones para componentes que conectan la electrónica con las fibras ópticas.
Creación de metalentes con niobato de litio
En este contexto, los investigadores de ETH de Zúrich han avanzado en la fabricación de nanoestructuras con niobato de litio, desarrollando un método innovador que permite crear metalentes de este material. Este método consiste en calentar los precursores de cristales de niobato de litio a 600°C, adquiriendo las características cristalinas necesarias para modificar la luz, similar al funcionamiento del láser verde. Al estar en estado líquido, este material es más fácil de aplicar.
El método facilita la producción de nanoestructuras de niobato de litio, algo difícil de lograr por métodos tradicionales debido a la dureza y estabilidad del material. Una característica importante es la posibilidad de reutilizar los moldes múltiples veces, permitiendo fabricar metalentes en grandes cantidades de manera eficiente y rentable.
Modificación de la longitud de onda
Gracias a esta tecnología, los investigadores han creado las primeras metalentes de niobato de litio con nanoestructuras diseñadas con precisión. Estas lentes pueden no solo enfocar la luz, sino también cambiar su longitud de onda. Por ejemplo, cuando se envía luz infrarroja con una longitud de onda de 800 nanómetros a través de la metalente, la radiación visible con una longitud de onda de 400 nanómetros emerge por el otro lado y se dirige a un punto designado.
Este fenómeno, conocido como efecto óptico no lineal, depende de la composición y la estructura especial de las metalentes. No se restringe a una única longitud de onda, lo que amplía notablemente sus posibles aplicaciones en diversas áreas.
Las metalentes y otras nanoestructuras, que pueden generar efectos como hologramas, se perfilan como opciones para mejorar la seguridad en billetes y obras de arte, ya que sus estructuras minúsculas y propiedades ópticas avanzadas facilitan la autenticación. Además, permiten a los investigadores dirigir la emisión de luz y facilitar la detección de infrarrojo en sensores, así como simplificar los equipos necesarios para la fabricación avanzada de dispositivos electrónicos.