Các ống kính vật liệu biến đổi có thể kích hoạt một cuộc cách mạng trong các thiết bị quang học

Gần đây, một nhóm nghiên cứu từ Đại học Harvard đã chế tạo một thấu kính ngưng tụ phẳng, mỏng như giấy bằng cách xếp chồng các "viên gạch nano" của titanium dioxide (TiO₂) với chiều cao khoảng 600 nanomet. Loại thấu kính mới này có thể mang lại một sự thay đổi cách mạng trong các thiết bị quang học.

Kính là các thành phần không thể thiếu trong nhiều thiết bị quang học và sản phẩm điện tử. Kính truyền thống thường được làm từ thủy tinh; tuy nhiên, do thể tích và trọng lượng vốn có của chúng, kính thủy tinh thường làm cho các thiết bị trở nên cồng kềnh—vấn đề này càng trở nên rõ ràng hơn khi cần nhiều kính.

Vật liệu biến hình từ lâu đã là một trọng tâm nghiên cứu chính trong lĩnh vực tinh thể quang học. Bản chất của vật liệu biến hình nằm ở các cấu trúc nano của chúng, có kích thước nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng. Những cấu trúc này có thể "tương tác một cách vui vẻ" với photon thông qua các hình dạng, kích thước và sắp xếp khác nhau: chúng có thể chặn, hấp thụ, tăng cường hoặc khúc xạ photon theo nhu cầu.

Tính đến nay, tuy nhiên, vật liệu biến hình vẫn chưa được áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực ống kính quang học. Lý do chính cho điều này (và cũng là sự khác biệt lớn giữa ống kính vật liệu biến hình và ống kính thủy tinh) là vật liệu biến hình có tính "chọn lọc bước sóng" cao đối với ánh sáng. Nói cách khác, một ống kính hiệu quả cho ánh sáng đỏ không thể tập trung ánh sáng xanh, và ngược lại. Thêm vào đó, việc phát triển các vật liệu phù hợp với phổ ánh sáng nhìn thấy (có thể nhận biết bởi mắt người) đã chứng minh là khá thách thức. Các vật liệu biến hình ban đầu chủ yếu là vật liệu plasmon bề mặt dựa trên silicon.

Gần đây, một bài báo học thuật được công bố trên tạp chí *Science* đã chứng minh rằng ứng dụng thực tiễn của vật liệu biến hình hiện nay đã nằm trong tầm tay. Một nhóm nghiên cứu từ Đại học Harvard đã xây dựng một ống kính ngưng tụ phẳng, mỏng như giấy bằng cách xếp chồng các "viên gạch nano" của titanium dioxide (TiO₂) với chiều cao khoảng 600 nanomet. Titanium dioxide được chọn chủ yếu vì vật liệu này không hấp thụ ánh sáng nhìn thấy một cách đáng kể. Ống kính vật liệu biến hình này có khả năng phóng đại hiệu quả lên đến 170 lần, và độ phân giải của các hình ảnh được phóng đại tương đương với các ống kính thủy tinh thông thường. Loại ống kính mới này thực sự có thể mang lại một cuộc cách mạng trong các thiết bị quang học.

Tuy nhiên, các ống kính metamaterial hiện tại chỉ có thể được áp dụng trong các thiết bị sử dụng laser (một loại sóng điện từ với một bước sóng duy nhất). Nếu thách thức trong việc xử lý các bước sóng hỗn hợp được vượt qua vào một ngày nào đó, tất cả các thiết bị quang học sẽ trải qua một sự thay đổi đột phá. Khi bước đột phá này được đạt được, kích thước của các ống kính quang học sẽ giảm đáng kể, chi phí của chúng sẽ giảm mạnh, và sự hiểu biết của chúng ta về hầu hết các thiết bị quang học hiện có cũng sẽ trải qua một sự chuyển biến đột phá.