Вчені винайшли металінзу для ВК-діапазону з фокусною відстанню, що перемикається між 1,5 і 2 міліметрами. Перемикання забезпечується переходом між кристалічним і аморфним станом речовини метаатомів, подібно до того, як працює компакт-диск, що перезаписується. Коефіцієнт контрастності лінзи досягає 29 децибел з незначними оптичними спотвореннями, чого раніше не демонстрували жодні інші металінзи, що налаштовуються. Стаття опублікована в.
Звичайні лінзи відхиляють промені світла за рахунок форми своєї поверхні. На відміну від них, металінзи використовують хвильові властивості світла, і змінюють траєкторію променів за допомогою мініатюрних антен, вбудованих в масив матеріалу. Об'єктив зі звичайних лінз - складний і дорогий механічний пристрій, оскільки не існує способу принципово спростити полірування скла або дзеркал. Крім того, оскільки якісний об'єктив не може використовувати тільки одну лінзу, в них поміщають набір з декількох, що додатково збільшує розмір пристрою.
У свою чергу, металінзи потенційно позбавлені цього недоліку, оскільки мають товщину в межах десятків мікрон, зате володіють безліччю переваг, наприклад, можливістю подолати стандартну дифракційну межу. До того ж, якщо звичайний об'єктив управляється зміною відстані між лінзами, то в об'єктиві з металінз їх не обов'язково рухати: достатньо локально змінювати оптичні властивості поверхні, що працює аналогічно згинанню скляної лінзи або металевого дзеркала. Так, у 2017 році вчені зробили металінзи, що змінюють фокусну відстань внаслідок фазового переходу матеріалу підкладки, однак фокус у цієї лінзи був не цілком чіткий.
Група дослідників під керівництвом Михайла Шалагінова (Mikhail Shalaginov) з Массачусетського технологічного інституту представила лінзу зі змінною фокусною відстанню між 1,5 і 2 міліметрами, а також високою якістю фокусування. Для виготовлення експериментальних метаатомів, що працюють в ВК-діапазоні з довжиною хвилі п'ять мікрон, фізики вибрали з'єднання німеччина, сурьми, селену і телура (GSST, Ge2Sb2Se4Te1). Цей матеріал схожий з халькогенідним склом GeSbTe, яке масово застосовується в компакт-дисках, що перезаписуються, оскільки при переході між кристалічною та аморфною формами цього матеріалу різко змінюються його оптичні властивості, що і зчитує лазер дисковода.
У ідеальної лінзи при переміщенні від центру до країв світло в кожній точці відхиляється на плавно зростаючий кут, чому відповідає нескінченний спектр варіантів фазового зрушення між хвилями, від нуля до двох ^. Щоб досягти цього безпосередньо, потрібно було б виготовити нескінченне число варіантів наноантен. У той же час, розробка кожної з них вимагає складних обчислень, тому вчені спростили завдання і задали спрощений ідеал, в якому зсув змінюється дискретно з кроком половина.
Вченим необхідно було домогтися, щоб у кожній точці лінзи кожна наноантена працювала кмітливо спрощеному ідеалу в обох станах речовини. Оскільки зони фазових зрушень в різних станах наїжджають один на одного, існує 42 = 16 унікальних комбінацій зон, кожній з яких повинен відповідати один дизайн антени.
Далі дослідники згенерували у фізичному симуляторі широкий набір можливих варіантів метаатомів, що за формою нагадують «+», «H» і «I» з різними пропорціями деталей. Щоб вибрати, які 16 з них оптимально підходять для спрощеного ідеалу, автори ввели синтетичний параметр добротності і розробили формулу для нього, розрахунки за якою істотно простіші, ніж фізична симуляція.
У підсумку вчені сформували підібрані метаатоми на підкладці з фториду кальцію, випаровуючи зайвий GSST електронним пучком. Під час випробувань металінзи за допомогою інфрачервоного лазера з'ясувалося, що її число Штреля наближається, до 0,99, що говорить про незначну кількість оптичних спотворень. Потім дослідники перевірили якість фокусування на 1,5 і на 2 міліметри, в аморфній і кристалічній формі відповідно.
З'ясувалося, що її коефіцієнт контрастності дорівнює 29 децибелів, що є рекордом для будь-яких металінз, що переналаштовуються, і для наочності автори зробили кілька мікроскопічних зображень з їх допомогою. Під час експерименту для переходу між кристалічним і аморфним станом речовини використовували нагрів у печі, але в майбутньому планується розташувати на лінзі мікронагрівачі, крім того, якість фокусування можна збільшити за рахунок зменшення кроку спрощеного фазового зрушення.
Раніше група Шалагінова змогла зробити плоский фішай з однієї лінзи, а вчені з Мічиганського університету навчилися фокусувати ними світло в пляму довільної форми.