Un equipo internacional de investigadores liderado por la Universidad Nacional de Australia (ANU) y la Universidad Friedrich Schiller en Alemania ha desarrollado un nuevo tipo de metalentes multicapa capaces de enfocar varios colores de luz al mismo tiempo. Esta innovación podría cambiar el rumbo del diseño óptico en tecnologías portátiles como los drones o los teléfonos inteligentes, donde cada gramo y cada milímetro cuentan.
Las metalentes son estructuras planas que manipulan la luz con precisión gracias a patrones microscópicos. A diferencia de las lentes tradicionales, que usan la curvatura de su superficie para enfocar, estas lentes planas operan mediante nanoestructuras que guían las ondas de luz. Sin embargo, hasta ahora, la mayoría de las metalentes solo podían trabajar con un único color de luz (una longitud de onda), lo que limitaba su uso práctico.
El reto de trabajar con varios colores
El gran desafío con las metalentes ha sido la dispersión cromática: cada color de luz se comporta de forma distinta al atravesar una lente, y enfocar varios colores a la vez con una sola capa de nanomateriales resultaba físicamente inviable. El límite se encuentra en lo que se llama el «retardo de grupo» máximo, que en una sola capa no puede superar ciertos valores sin sacrificar el tamaño o la precisión del enfoque.
Intentar meter todo el espectro visible en una sola capa era como intentar proyectar una película completa en una sola diapositiva: simplemente no había suficiente espacio para manejar toda la información óptica. Por eso, el equipo de investigación optó por una estrategia más ambiciosa: usar múltiples capas apiladas, cada una diseñada para trabajar con diferentes aspectos de la luz.
Diseño inverso y geometrías inesperadas
La solución llegó mediante un método de diseño inverso, que consiste en definir primero el comportamiento deseado (por ejemplo, enfocar luz roja y azul al mismo punto) y luego usar algoritmos para encontrar las formas que deben tener los nanocomponentes para lograrlo. Este proceso, basado en optimización de formas, generó una biblioteca de estructuras diminutas con formas curiosas: desde tréboles hasta hélices y cuadrados redondeados.
Estas estructuras tienen dimensiones nanométricas (300 nanómetros de alto y 1000 de ancho, aproximadamente), y juntas forman una especie de mapa de fases que puede moldear la luz de maneras que antes solo eran posibles con múltiples elementos ópticos convencionales.
La clave está en aprovechar las resonancias de Huygens, que se dan cuando los dipolos eléctricos y magnéticos dentro de los materiales se sincronizan para guiar la luz sin pérdidas. Gracias a esta estrategia, las metalentes desarrolladas son insensibles a la polarización de la luz y mucho más tolerantes a pequeñas imperfecciones de fabricación, un paso fundamental para su aplicación industrial.
Lentes planas con alma de prisma
Aunque el objetivo inicial era imitar el comportamiento de una lente clásica, los resultados abrieron nuevas posibilidades: por ejemplo, enfocar distintos colores en puntos diferentes, creando una especie de «enrutador de color». Esto podría tener aplicaciones en sistemas de detección multiespectral, como los usados en satélites de observación terrestre, que necesitan separar diferentes longitudes de onda para analizar vegetación, contaminación o humedad.
Eso sí, hay un límite práctico. Como explica Joshua Jordaan, investigador principal del estudio, estas metalentes multicapa pueden trabajar con hasta cinco colores diferentes. El motivo está en la necesidad de estructuras lo suficientemente grandes para captar longitudes de onda largas, pero sin interferir con las cortas, lo cual crea un punto de equilibrio delicado.
Aplicaciones portátiles y más ligeras
Donde estas metalentes pueden marcar una diferencia inmediata es en la tecnología de imagen portátil. Su diseño plano, ligero y de bajo perfil las hace ideales para incorporar en dispositivos donde el espacio y el peso son críticos, como en drones, satélites pequeños o teléfonos móviles.
En lugar de recurrir a múltiples lentes apiladas de vidrio, como en las actuales cámaras de smartphones, podría utilizarse una sola metalente multicapa para capturar imágenes de alta calidad y con buena resolución cromática. Esto no solo ahorraría espacio, sino también podría reducir los costes y simplificar los procesos de producción.
Viabilidad industrial y futuro inmediato
Uno de los puntos más destacables del proyecto es que no se trata solo de un experimento de laboratorio. El diseño presentado tiene una alta viabilidad de fabricación gracias a su bajo perfil (relación de aspecto baja) y a que cada capa puede producirse por separado y luego ensamblarse. Además, es compatible con técnicas de nanofabricación ya existentes en la industria de los semiconductores.
La investigación fue publicada en la revista Optics Express y forma parte del programa internacional Meta-ACTIVE, con el apoyo del Consejo Australiano de Investigación. Este tipo de colaboración entre instituciones no solo acelera la innovación científica, sino que acerca estos avances a mercados globales.
Este nuevo paso en el diseño de lentes metaatópticas muestra cómo la ciencia de los materiales y la inteligencia artificial aplicada al diseño están convergiendo para transformar elementos tan cotidianos como una cámara de fotos. Y aunque aún queda camino por recorrer, la ruta hacia dispositivos ópticos más compactos, precisos y versátiles está más clara que nunca.
