Los límites fundamentales de las metalentes

Las metalentes son lentes planas (con un grosor similar a la longitud de onda de la luz). Se fabrican usando un metamaterial, diseñado mediante un patrón de pequeñas metaunidades para lograr las propiedades deseadas. Por desgracia existen límites fundamentales a su rendimiento. Se publican en la revista Light (de Springer–Nature) las ecuaciones matemáticas que describen estas limitaciones para los parámetros de estas metalentes (dispersión de fase, apertura numérica, diámetro de la lente, ancho banda de acromaticidad, etc.). Se ilustran en varios diseños prácticos gracias a una librería de metaunidades que permite alcanzar, sin superar, estos límites teóricos (aunque solo para luz infrarroja).

Intentar hacer posible lo imposible es uno de los objetivos de los innovadores. Recuerdo que a principios de los 1990 se afirmaba que era imposible una tecnología semiconductora con transistores con un canal inferior a 320 nm (0.32 μm); ahora el último iPhone usa tecnología de 7 nm. Los nuevos límites a las metalentes  suponen todo un reto para los diseñadores. ¿Será imposible superarlos? No me resisto a soñar que será posible superarlos en un futuro no muy lejano. Pero primero habrá que esperar a que sean alcanzados en metalentes para el espectro visible (las más útiles en aplicaciones prácticas). Como siempre, habrá que seguir al tanto de los avances en este área.

Los límites fundamentales a las metalentes se han publicado en Sajan Shrestha, Adam C. Overvig, …, Nanfang Yu, “Broadband achromatic dielectric metalenses,” Light: Science & Applications 7: 85 (07 Nov 2018), doi: 10.1038/s41377-018-0078-x. Todavía recuerdo el anuncio el pasado año nuevo de la primera metalente acromática para todo el espectro visible (de 470 hasta 670 nm), aunque solo alcanzaba una eficiencia del 20% para 500 nm, en Wei Ting Chen, Alexander Y. Zhu, …, Federico Capasso, “A broadband achromatic metalens for focusing and imaging in the visible,” Nature Nanotechnology 13: 220–226 (01 Jan 2018), doi: 10.1038/s41565-017-0034-6. Sin lugar a dudas los avances en metamateriales están pidiendo a gritos un próximo Premio Nobel de Física.

Las cámaras de los teléfonos móviles (celulares) son cada día más pequeñas. Gracias a las metalentes no supondrán ninguna limitación cuando estos dispositivos sean flexibles y completamente planos (así acaberemos usándolos como pulseras en la muñeca o pegatinas sobre nuestra piel). Las nuevas generaciones de metaunidades (meta-units), en la figura 1A, 1B y 2, permiten cubrir un área cada vez mayor del plano fase–dispersión (Φ0–ΔΦ) para el ancho de banda (Δω) de operación. Por cierto, en las nuevas metalentes que alcanzan el límite fundamental para sus parámetros se opera en el infrarrojo (Δλ = 1.2–1.6 µm). Todas estas metaunidades se construyen con tecnología compatible con CMOS, lo que facilita su integración en chips convencionales para dispositivos móviles.

Las lentes acromáticas tienen como objetivo eliminar la aberración cromática debida a la dispersión cromática, es decir, que la longitud focal depende de la longitud de onda. Hay dos tipos de lentes acromáticas, las refractivas, que constan de varios anillos concéntricos con diferente radio de curvatura, y las difractivas, que combinan anillos con diferente geometría en las caras anterior y posterior de la lente; ambas tienen inconvenientes, por lo que a veces se usan lentes híbridas refractivas-difractivas, por ejemplo en lentillas oculares. Las metalentes son lentes difractivas diseñadas para evitar sus inconvenientes respecto a las refractivas.


Los detalles sobre la sencilla formulación matemática de las limitaciones de las metalentes acromáticas están más allá de mi objetivo; los interesados pueden consultar el artículo científico (de acceso gratuito) y, en especial, la información suplementaria donde se deriva dicha ecuación (.docx). Lo sorprendente es que dichos límites (línea continua en la figura arriba a la izquierda) ya se pueden alcanzar (cuadrado y triángulo negros en la figura arriba a la izquierda) con la última generación de metaunidades (al menos en el espectro infrarrojo). ¿Se podrá concebir en el futuro una manera de superar estos límites fundamentales para las metalentes? Quizás sí, quién sabe. Pero lo más relevante ahora es tratar de alcanzar estos límites en el diseño de metalentes para luz visible (la más interesante en aplicaciones tecnológicas con mercado masivo).

En resumen, un trabajo muy interesante sobre metalentes que nos anticipa un futuro muy prometedor. Como siempre, lo más interesante para el público general aún está por llegar, pero llegará. Móviles flexibles que pegarán sobre la piel como pegatinas y que incluirán cámaras fotográficas con metalentes planas. Parece de ciencia ficción, pero es un futuro que cada día está más próximo.



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 10 noviembre, 2018
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