Metačočky (anglicky metalenses) jsou ploché povrchy, které využívají nanostruktury k ohýbání světla. Pokud by se metačočky úspěšně rozšířily, tak by mohly přinést revoluci do optiky. Nahradily by totiž dnešní masivní čočky s prohnutým povrchem jednoduchými čočkami s plochým povrchem.
Má to ale háček. Dosavadní metačočky ohýbají vždy jenom určitý výsek spektra viditelného záření. Situaci by teď měl změnit nedávný výzkum vědeckého týmu Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (Harvard SEAS). Jeho členové vyvinuli první metačočku, která dokáže najednou ohnout záření celého viditelného spektra světla (ve výsledku bílého světla) do jednoho místa a s vysokým rozlišením. Něco takového bylo zatím možné jedině s konvenčními optickými čočkami a bylo jich na to nutné použít více najednou. Studii publikoval časopis Nature Nanotechnology.
Proč je tohle tak těžké? Soustředění záření z celého viditelného spektra do jednoho bodu velmi komplikuje skutečnost, že záření o každé vlnové délce prochází materiály poněkud odlišnou rychlostí. Například červené světlo prochází sklem o něco rychleji než modré světlo, takže záření o těchto dvou barvách dosáhnou stejné oblasti v různém čase.
Důsledkem tohoto jevu jsou chromatické aberace, čili barevné vady čoček nebo celých soustav čoček. Pokud se optická zařízení chtějí těmto vadám vyhnout, tak k tomu v dnešní době obvykle potřebují větší počet čoček o různé tloušťce a z různého materiálu. Výsledné zařízení je pak kvůli tomu samozřejmě komplikovanější a objemnější.
Šéf výzkumu Federico Capasso potvrzuje, že metačočky mají proti konvenčním optickým čočkám řadu výhod. Jsou tenké, snadno se vyrábějí a nejsou moc drahé. Díky průlomu Capassova týmu se teď významně přiblížilo praktické využití metačoček v rozmanitých optických aplikacích. Na Harvardu mají z jejich výsledků radost. Harvard Office of Technology Development (OTD) zajišťuje právní ochranu nových metačoček a také zkoumá nejbližší možnosti jejich komerčního využití.
Metačočky Capassova týmu využívají nanostruktury z oxidu titaničitého. S jejich pomocí dosahují požadovaného optického efektu a eliminují chromatické aberace. Díky sofistikovaným vzorům z nanostruktur tyto metačočky manipulují index lomu světla na povrchu metačočky tak, že se záření celého viditelného spektra sejde na požadovaném místě ve stejnou dobu.
Pokud bude vývoj metačoček dál pokračovat tímto tempem, tak se brzy dočkáme optických zařízení s těmito plochými čočkami. Capasso pracují na metačočkách o průměru kolem 1 centimetru. Budou-li úspěšní, tak se před nimi otevřou široké možnosti, včetně virtuální a rozšířené reality.
Video: Flat Optics Based on Metasurfaces - Federico Capasso
Literatura
Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences 1. 1. 2018, Nature Nanotechnology online 1. 1. 2018.
Terminátorovy čočky displejem budoucnosti?
Autor: Stanislav Mihulka (22.11.2009)
Viditelné světlo s nekonečnou vlnovou délkou
Autor: Josef Pazdera (14.10.2013)
Nový 3D tištěný metamateriál se po zahřátí smrskne
Autor: Stanislav Mihulka (28.10.2016)
Diskuze:
To znamená i pokrok ve vývoji pláště neviditelnosti, že?
Vladimír P.,2018-01-10 13:37:59
Zatím fungoval jen v rádiovém oboru, jestli se nepletu.
z jiného úhlu
Jan Rychlik,2018-01-05 09:58:29
Stejná zpráva z trochu jiného úhlu například zde:
https://petapixel.com/2018/01/04/revolutionary-metalens-can-focus-visible-light-one-point/
(I ten obrázek tam mají z jiného úhlu.)
Pro mikroskopii super
Vojtěch Hruska,2018-01-02 23:56:37
Tak to je bomba, mikroskopy budou například schopny pracovat v neuvěřitelných teplotách a to jak do plus, tak do mínus, protože takovou čočku půjde ohřívat, nebude se orosovat, ani tvořit námraza....
To je fakt šok....
cože?
Jan Rychlik,2018-01-02 22:56:44
Zase jsem propásl nějaký vývoj? Zrovna dneska jsem se dočetl, že v módě bude letos nábytek a všechny možné doplňky v barvě ultrafialové a teď zjistím, že ta čočka "dokáže najednou ohnout záření celého viditelného světla, včetně bílého světla, do jednoho místa a s vysokým rozlišením..."
Dále se píše, že "Soustředění záření z celého viditelného záření a bílého záření do jednoho bodu..."
Co jsem zaspal? nějaký nový objev bílého záření? Pokud ohýbám najednou stejně celé spektrum viditelného světla, je to určitě velice náročné navíc ohnout ještě bílé světlo...
A kde přesně je na spektru viditelného světla bílá barva?
Každopádně gratuluju Fredericovi k objevu bílého světla.
Re: cože?
Pavel A1,2018-01-03 18:26:56
Těch řekněme nepřesností je v tomto článku více.
Například není pravda, že "Něco takového (soustředit bílé světlo do jednoho bodu) bylo zatím možné jedině s konvenčními optickými čočkami a bylo jich na to nutné použít více najednou." To zvládají (a lépe než čočky) zrcadla. I když uznávám, že mobil s reflektorem by byl trochu nepraktický.
Dále je poněkud svérázné vysvětlení, že "Soustředění záření z celého viditelného spektra do jednoho bodu velmi komplikuje skutečnost, že záření o každé vlnové délce prochází materiály poněkud odlišnou rychlostí." Pro čočky to je svým způsobem pravda (index lomu je poměr rychlosti světla ve vakuu a v daném materiálu), ale většinou se to vysvětluje spíše tak, že index lomu je závislý na frekvenci světla. Nicméně pro jiné způsoby ohybu světla (mřížky nebo metamateriály) toto vysvětlení neplatí. Ve mřížkách se světlo ohýbá kvůli fázovému posunu, a ten je závislý na vlnové délce. Proto se světlo různých barev na mřížce ohýbá různě.
A metamateriály jsou látky se zápornou permitivitou nebo permeabilitou (případně obojím) a toho se dosahuje tím, že tyto metamateriály jsou v podstatě soustavou miniaturních rezonančních obvodů, které mění fázi dopadajícího světla. Zatím se dařilo vytvořit takový materiál vyladěný pouze pro určitou frekvenci (a to ještě vetšinou v mikrovlnné oblasti). Pokud se opravdu tomu týmu podařilo vyvinout metamateriál, který ohýbá stejně světlo různých frekvencí, je to určitě úspěch.
Re: Re: cože?
Michal Vrabel,2018-01-04 21:05:05
Pavle, nechci Vám brát radost z kritiky a propagace mikroskopů se zrcadlovou optikou, ale nejspíš nepracujete jako mineralog. Což Vám nevytýkám, jen bych tak kritický nebyl, naopak. A nejde jen o potenciální využití v naší profesi, ale třeba i telefonech,...
Re: Re: Re: cože?
Milan Krnic,2018-01-08 21:13:55
Přichází éra totálně hladkých telefonů :)
Bomba ve foto oblasti to nepochybně je, jenže známe to, jak je to s pokrokem v tomto segmentu vzhledem ke spotřebitelům. Moc nadějí si nedělám, spíš se nechám překvapit.
Re: cože?
Jan Rychlik,2018-01-04 23:16:26
Vida, opraveno. Hned to vypadá líp. (Takové lapsy by se ale speciálně v článku, který se zabývá optikou, stávat neměly ani napoprvé. I tak - oceňuji, že si autor dal tu práci s opravou)
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
