I mer än 500 år har människor har bemästrat konsten att bryta ljus genom att forma glas till linser, sedan böja eller kombinera dessa linser för att förstärka och förtydliga bilder, antingen närbild och långt borta.

Men under det senaste decenniet eller så, en grupp ledd av vetenskapsmannen Federico Capasso vid Harvard University har börjat förvandla optikområdet genom att konstruera platta optiska metasytor, som använder en mängd miljontals små mikroskopiskt tunna och transparenta kvartspelare för att diffraktera och forma ljusflödet på ungefär samma sätt som en glaslins, men utan avvikelser som naturligt begränsar glaset.

Tekniken valdes ut som bland de 10 mest framväxande teknologierna av World Economic Forum (WEF) 2019, som påpekade att dessa allt mindre, klarare linser skulle snart börja ses i kameratelefoner, sensorer, optiska fiberlinjer och medicinsk bildbehandlingsutrustning, såsom endoskop.

"Att göra linserna som används av mobiltelefoner, datorer och andra elektroniska enheter som är mindre har varit bortom kapaciteten för traditionell glasskärning och glaskrökningsteknik, " enligt WEF. "...Dessa små, tunn, platta linser kan ersätta befintliga skrymmande glaslinser och möjliggöra ytterligare miniatyrisering i sensorer och medicinska bildbehandlingsenheter."

Att göra metalenses 'omkonfigurerbara'

Nu, Case Western Reserve University fysikprofessor Giuseppe Strangi och medarbetare vid Harvard har tagit ett steg mot att göra dessa "metaller" ännu mer användbara - genom att göra dem omkonfigurerbara.

De gjorde detta genom att utnyttja krafter i nanoskala för att infiltrera flytande kristaller mellan de mikroskopiska pelarna, tillåta dem att forma och diffraktera ljuset på helt nya sätt – "justera" fokuseringskraften, sa Strangi.

Flytande kristaller är särskilt användbara eftersom de kan manipuleras termiskt, elektriskt, magnetiskt eller optiskt, vilket skapar potentialen för de flexibla eller omkonfigurerbara linserna.

"Vi tror att detta har löftet att revolutionera optiken som vi känner den sedan 1500-talet, sa Strangi, vars Nanoplasma Lab vid Case Western Reserve undersöker "extrem optik" och "samspelet mellan ljus och materia i nanoskala, "bland annat.

Tills nyligen, en gång formades en glaslins till en stel kurva, den kunde bara böja ljuset på ett sätt, såvida de inte kombineras med andra linser eller fysiskt flyttas, Sa Strangi.

Metalenses ändrade det, eftersom de tillåter att konstruera vågfronten genom att kontrollera fasen, amplitud och polarisering av ljuset.

Nu, genom att kontrollera den flytande kristallen, forskarna har kunnat flytta dessa nya klasser av metaller mot nya vetenskapliga och tekniska ansträngningar för att generera omkonfigurerbart strukturerat ljus.

"Detta är bara det första steget, men det finns många möjligheter att använda dessa linser, och vi har redan kontaktats av företag som är intresserade av denna teknik, " sa Strangi.

Tidningen som tillkännager genombrottet publicerades i början av augusti av Proceedings of the National Academy of Sciences .

Strangi samarbetade med flera andra forskare i USA och Europa, inklusive andra Case Western Reserve -forskare Andrew Lininger och Jonathan Boyd; Giovanna Palermo från Universita 'della Calabria i Italien; och Capasso, Alexander Zhu och Joon-Suh Park vid John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences vid Harvard University.

Lininger sa att en del av problemet med nuvarande tillämpningar av metasytor är att deras form är fixerad vid produktionspunkten, men "genom att möjliggöra omkonfigurerbarhet i metaytan, dessa begränsningar kan övervinnas."

Capasso, som var pionjär inom området för plattoptik och 2014 publicerade först forskning om metalenser, krediterade Strangi för idén att infiltrera metalenserna med flytande kristaller och sa att denna innovation representerar ett steg mot ännu större saker.

"Vår förmåga att reproducerbart infiltrera med flytande kristaller toppmoderna metalenses gjorda av glaspelare med över 150 miljoner nanoskala diameter och att avsevärt ändra deras fokuseringsegenskaper är ett tecken på den spännande vetenskap och teknik som jag förväntar mig att komma ur omkonfigurerbar platt optik i framtiden, sa Capasso.