Обычные линзы отклоняют лучи света за счет формы своей поверхности. В отличие от них, металинзы используют волновые свойства света, и изменяют траекторию лучей при помощи миниатюрных антенн, встроенных в массив материала. Объектив из обычных линз — сложное и дорогое механическое устройство, поскольку не существует способа принципиально упростить полировку стекол или зеркал. Кроме того, поскольку качественный объектив не может использовать только одну линзу, в них помещают набор из нескольких, что дополнительно увеличивает размер устройства.

В свою очередь, металинзы потенциально лишены этого недостатка, поскольку имеют толщину в пределах десятков микрон, зато обладают множеством преимуществ, например, возможностью преодолетьстандартный дифракционный предел. Вдобавок, если обычный объектив управляется изменением расстояния между линзами, то в объективе из металинз их не обязательно двигать: достаточно локально менять оптические свойства поверхности, что работает аналогично сгибанию стеклянной линзы или металлического зеркала. Так, в 2017 году ученые сделали металинзы, меняющие фокусное расстояние вследствие фазового перехода материала подложки, однако фокус у этой линзы был не вполне четкий.

Группа исследователей под руководством Михаила Шалагинова (Mikhail Shalaginov) из Массачусетского технологического института представила линзу с переменным фокусным расстоянием между 1,5 и 2 миллиметрами, а также высоким качеством фокусировки. Для изготовления экспериментальных метаатомов, работающих в ИК-диапазоне с длиной волны пять микрон, физики выбрали соединение германия, сурьмы, селена и теллура (GSST, Ge2Sb2Se4Te1). Этот материал схож с халькогенидным стеклом GeSbTe, которое массово применяется в перезаписываемых компакт-дисках, поскольку при переходе между кристаллической и аморфной формами этого материала резко меняются его оптические свойства, что и считывает лазер дисковода.

У идеальной линзы при перемещении от центра к краям свет в каждой точке отклоняется на плавно возрастающий угол, чему соответствует бесконечный спектр вариантов фазового сдвига между волнами, от нуля до двух π. Чтобы добиться этого напрямую, потребовалось бы изготовить бесконечное число вариантов наноантенн. В то же время, разработка каждой из них требует сложных вычислений, поэтому ученые упростили задачу и задали упрощенный идеал, в котором сдвиг меняется дискретно с шагом половина π.

Ученым необходимо было добиться, чтобы в каждой точке линзы каждая наноантенна работала сообразно упрощенному идеалу в обоих состояниях вещества. Поскольку зоны фазовых сдвигов в разных состояниях наезжают друг на друга, существует 42 = 16 уникальных комбинаций зон, каждой из которой должен соответствовать один дизайн антенны.

Далее исследователи сгенерировали в физическом симуляторе широкий набор возможных вариантов метаатомов, по форме напоминающих «+», «H» и «I» с разными пропорциями деталей. Чтобы выбрать, какие 16 из них оптимально подходят для упрощенного идеала, авторы ввели синтетический параметр добротности и разработали формулу для него, расчеты по которой существенно проще, чем физическая симуляция.

В итоге ученые сформировали подобранные метаатомы на подложке из фторида кальция, испаряя лишний GSST электронным пучком. В ходе испытаний металинзы с помощью инфракрасного лазера выяснилось, что ее число Штреля приближается, к 0,99, что говорит о незначительном количестве оптических искажений. Затем исследователи проверили качество фокусировки на 1,5 и на 2 миллиметра, в аморфной и кристаллической форме соответственно.

Выяснилось, что ее коэффициент контрастности равен 29 децибел, что является рекордом для любых перенастраиваемых металинз, и для наглядности авторы сделали несколько микроскопических изображений с их помощью. В ходе эксперимента для перехода между кристаллическим и аморфным состоянием вещества использовали нагрев в печи, но в будущем планируется расположить на линзе микронагреватели, кроме того, качество фокусировки можно увеличить за счет уменьшения шага упрощенного фазового сдвига.

Ранее группа Шалагинова смогла сделать плоский фишай из одной линзы, а ученые из Мичиганского университета научились фокусировать ими свет в пятно произвольной формы.

Фото: Shalaginov et al. / Nature Communicatons, 2021