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.

Federico Capasso. Kredit: Eliza Grinnell / Harvard SEAS.

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.

Harvard SEAS.

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.