Fisikawan di ETH Zurich telah mengembangkan lensa dengan sifat ajaib. Ultra-thin, dapat mengubah cahaya inframerah menjadi cahaya yang terlihat dengan mengurangi separuh panjang gelombang cahaya insiden.
Lensa adalah perangkat optik yang paling banyak digunakan. Lensa atau tujuan kamera, misalnya, menghasilkan foto atau video yang tajam dengan mengarahkan lampu pada titik fokus. Kecepatan evolusi yang dibuat di bidang optik dalam beberapa dekade terakhir dicontohkan oleh transformasi kamera besar konvensional menjadi kamera smartphone kompak saat ini.
Bahkan kamera smartphone berkinerja tinggi masih memerlukan setumpuk lensa yang sering menyumbang bagian paling tebal dari telepon. Kendala ukuran ini adalah fitur inheren dari desain lensa klasik – lensa tebal sangat penting untuk membungkuk cahaya untuk menangkap gambar yang tajam pada sensor kamera.
Langkah besar di bidang optik selama sepuluh tahun terakhir telah berusaha untuk mengatasi batasan ini dan telah menghasilkan solusi dalam bentuk metalses. Mereka datar, tampil dengan cara yang sama seperti lensa normal dan tidak hanya 40 kali lebih tipis dari rambut manusia rata -rata tetapi juga ringan karena mereka tidak perlu terbuat dari kaca.
Metasurface khusus yang terdiri dari struktur hanya satu ratusan nanometer lebar dan tinggi (satu nanometer adalah sepersepuluh dari satu meter) memodifikasi arah cahaya. Menggunakan struktur nano tersebut, para peneliti dapat secara radikal mengurangi ukuran lensa dan membuatnya lebih kompak.
Ketika dikombinasikan dengan bahan khusus, struktur nano ini dapat digunakan untuk mengeksplorasi sifat cahaya yang tidak biasa lainnya. Salah satu contohnya adalah optik nonlinier, di mana cahaya dikonversi dari satu warna menjadi yang lain. Pena laser hijau berfungsi sesuai dengan prinsip ini: cahaya inframerah melewati bahan kristal berkualitas tinggi dan menghasilkan cahaya setengah panjang gelombang – dalam hal ini lampu hijau. Salah satu bahan terkenal yang menghasilkan efek seperti itu adalah lithium niobate. Ini digunakan dalam industri telekomunikasi untuk membuat komponen yang menghubungkan elektronik dengan serat optik.
Rachel Grange, seorang profesor di Institute for Quantum Electronics di ETH Zurich, melakukan penelitian tentang pembuatan struktur nano dengan bahan -bahan tersebut. Dia dan timnya telah mengembangkan proses baru yang memungkinkan lithium niobate digunakan untuk membuat metalses. Studi ini baru -baru ini diterbitkan dalam jurnal Bahan canggih.
Untuk metode barunya, fisikawan menggabungkan sintesis kimia dengan nanoengineering presisi. “Solusi yang mengandung prekursor untuk kristal lithium niobate dapat dicap saat masih dalam keadaan cair. Ia bekerja dengan cara yang mirip dengan mesin cetak Gutenberg,” kata penulis first ülle-Linda Talts, seorang kandidat doktor yang bekerja dengan Rachel Grange, menjelaskan. Setelah material dipanaskan hingga 600 ° C, diperlukan sifat kristal yang memungkinkan konversi cahaya seperti dalam kasus pena laser hijau.
Proses ini memiliki beberapa keunggulan. Memproduksi struktur nano lithium niobate sulit menggunakan metode konvensional karena sangat stabil dan keras. Menurut para peneliti, teknik ini cocok untuk produksi massal karena cetakan terbalik dapat digunakan beberapa kali, memungkinkan pencetakan sebanyak mungkin logam yang diperlukan. Ini juga jauh lebih hemat biaya dan lebih cepat untuk dibuat daripada perangkat optik lithium niobate lainnya.
Lensa ultra-tipis yang menghasilkan cahaya baru
Dengan menggunakan teknik ini, para peneliti dalam kelompok Grange berhasil menciptakan logam lithium niobate pertama dengan struktur nano yang direkayasa dengan tepat. Sementara berfungsi sebagai lensa fokus cahaya normal, perangkat ini dapat secara bersamaan mengubah panjang gelombang cahaya laser. Ketika cahaya inframerah dengan panjang gelombang 800 nanometer dikirim melalui metalens, radiasi yang terlihat dengan panjang gelombang 400 nanometer muncul di sisi lain dan diarahkan pada titik yang ditentukan.
Keajaiban konversi cahaya ini, sebagaimana Rachel Grange menyebutnya, hanya dimungkinkan oleh struktur khusus dari metalens ultra-tipis dan komposisinya suatu bahan yang memungkinkan terjadinya apa yang dikenal sebagai efek optik nonlinier. Efek ini tidak terbatas pada panjang gelombang laser yang ditentukan, membuat proses ini sangat fleksibel dalam berbagai aplikasi.
Dari uang kertas yang palsu hingga alat mikroskop generasi berikutnya
Metalses dan struktur nano yang menghasilkan hologram yang serupa dapat digunakan sebagai fitur keamanan untuk membuat uang kertas dan sekuritas membuktikan kedamaian dan untuk menjamin keaslian karya seni. Strukturnya yang tepat terlalu kecil untuk dilihat menggunakan cahaya yang terlihat, sedangkan sifat material nonlinier mereka memungkinkan otentikasi yang sangat andal.
Para peneliti juga dapat menggunakan detektor kamera sederhana untuk mengonversi dan mengarahkan emisi cahaya laser untuk membuat cahaya inframerah – dalam sensor, misalnya – terlihat. Atau untuk mengurangi peralatan yang dibutuhkan untuk pola cahaya-uv dalam dalam fabrikasi elektronik canggih.
Bidang elemen optik yang sangat tipis – yang dikenal sebagai metasurfaces – adalah cabang penelitian yang relatif muda di antarmuka antara fisika, ilmu material dan kimia. “Kami hanya menggaruk permukaan sejauh ini dan sangat bersemangat untuk melihat seberapa besar dampak jenis teknologi baru yang hemat biaya ini di masa depan,” menekankan Grange.
Studi ini sebagian didanai oleh hibah konsolidator SNFS untuk Rachel Grange.
Referensi
Talts ü, Weigand H, Occhiodori I, Grange R, skalable lithium niobate nanoimprinting untuk metalses nonlinier. Adv. Mater. 2025, 2418957. Https://doi.org/10.1002/adma.202418957
